基于神经网络的零射程线闭路制导方法

对于固体发动机飞行器,在动力飞行段一般采用能量匹配闭路制导或者倾角约束的闭路制导方法,这种闭路制导方法的控制精度较高,但其精度受到发动机性能偏差的影响较大,为了减小发动机性能偏差对制导精度的影响,提出了基于神经网络的零射程线闭路制导方法。首先,建立了飞行器动力飞行段运动模型,对零射程线闭路制导进行了分析推导;其次,设计了多输入神经网络算法,确定了输入输出参数,对剩余能量、待增速度以及趋零射程线角度进行训练,将神经网络训练结果与零射程线闭路制导相结合,使得在不同的发动机偏差情况下,反馈不同的趋零射程线角度;最后,通过选择不同的偏差状态进行仿真验证,仿真结果表明该方法能有效地减小发动机偏差对制导精度的影响,具有较强的抗偏差能力,制导精度高。

基于对数型障碍Lyapunov函数的俯仰驾驶仪设计

相控阵雷达制导拦截弹在拦截高速大机动目标时,弹体气动参数剧烈非线性变化影响控制系统对大攻角的响应效果,应设计考虑攻角指令跟踪误差约束的鲁棒自动驾驶仪控制律。基于双幂次趋近律和对数型障碍李雅普诺夫函数设计了鲁棒非线性自动驾驶仪控制律,可将攻角指令的跟踪误差快速收敛于约束范围内。通过降阶扩张状态观测器对系统中存在的气动参数不确定性和系统外部扰动进行在线估计和补偿。稳定性分析和数值仿真表明,攻角可在1 s内达到稳态且攻角响应的稳态误差<10-4°,所提出的自动驾驶仪控制律具有较强的鲁棒性,能够准确稳定地跟踪攻角指令,控制导弹产生所需过载进而精准拦截目标。

考虑终端角度约束的三维增量式扰动补偿制导律设计

针对具有特定终端碰撞角度需求的机动目标拦截问题,提出一种扰动补偿的增量式终端角度约束三维制导律设计方法。首先,基于非线性三维耦合相对运动学模型及视线转率动态方程,结合惯性延迟估计方法,设计目标机动过载与外界干扰等扰动在线补偿的三维终端角度约束制导律。其次,为了进一步提升制导律抗干扰特性,基于视线角误差方程泰勒展开的增量式动态逆方法,将误差动态系统扰动与制导指令压缩至一个采样步长内的增量形式,提出一种新近测量信息驱动的三维增量式扰动补偿角度约束制导律。理论分析表明,角度约束与扰动估计偏差能够收敛至一个有界的较小邻域内。复杂工况下多场景、多方法仿真对比及蒙特卡罗打靶仿真结果表明,所设计方法具有较强的适应性和鲁棒性。

考虑导引头探测角度控制的直接碰撞拦截末制导律设计

使用毫米波雷达导引头的直接碰撞拦截弹在命中前对来袭目标进行成像从而选择关键部位进行打击。在不同的探测角度下,毫米波雷达导引头对目标的成像效果有较大差异,需加以控制。针对直接碰撞拦截弹导引头探测角度的控制问题,在比例导引的基础上进行扩展,设计了探测角度控制末制导律,可实现拦截弹在命中前以期望的角度探测目标,从而保证导引头成像效果。与此同时,考虑导引头最大转角的限制,分析了制导律中探测角的设定范围,进而避免因探测角过大导致导引头丢失目标。最后以数字仿真结果验证了该方法的有效性。

飞行速度可调导弹三维制导律研究

为获得更好的制导性能,针对一类采用流量可调发动机的导弹,利用其所增加的飞行速度控制自由度,提出一种三维空间下比例导引+飞行速度控制的双重控制滑模制导律;以比例导引作为基础,在对二维、三维零控脱靶量分析的基础上,以零控脱靶量为跟踪目标选取合适的滑模面,并进一步使用辅助滑模面和有限时间超螺旋干扰观测器对滑模面中的不确定项进行估计,推导了减少脱靶量的速度控制制导律;仿真结果表明,相比于经典的比例导引,在考虑空气阻力的场景下,所设计的制导律脱靶量更小,弹道更平滑,滑模面收敛情况理想,实现了导弹飞行速度的主动控制。

具有终端位置和角度约束的广义弹道成型制导律

针对导弹终端位置和角度约束制导问题,提出了基于剩余飞行时间控制权函数,采用Schwartz不等式推导了最优制导律,并在小角假设基础上将其表述为便于工程实现的广义弹道成型制导律.分别利用Schwartz不等式和伴随函数法研究了无动力学滞后系统的量纲一制导指令和一阶动力学滞后系统的量纲一位置与角度脱靶量特性.最后,给出了包含可用过载限制的制导阶次设计方法.结果表明,该最优制导律不但能同时满足终端位置和角度需求,而且通过设计合理的制导阶次可减小末端需用过载,间接控制终端攻角.

反临近空间高超声速目标拦截弹中末制导交接班窗口

在视线旋转坐标系下建立拦截弹与目标的相对运动方程,分析采用纯比例导引律捕获高超声速目标的充分条件,并推导出在交接班处的最优拦截几何,即零控拦截流型。定性分析了拦截弹速度、高度、导引头特性以及末制导捕获条件等在中末制导交接班时所受到的限制,在此基础上定义了中末制导交接班窗口的概念,并介绍了交接班捕获窗口的影响因素、用途、特性以及计算步骤。以纯比例导引律拦截高速目标为例,定量描述了交接班捕获窗口和零控交接班区域,并通过数字仿真实验验证了交接班捕获窗口的合理性。

带落点和落角约束的最优末制导律研究

为了研究带有落角约束的最优末制导律,利用拉格朗日法,构造带有落点和落角约束的导弹运动方程,研究了制导系统中的动力学滞后对脱靶量和落角误差的影响.指出高阶动力学滞后的时间常数是影响误差的主要因素,而系统阶数对误差收敛时间的影响较小.研究结果表明,增加末导时间可以减小导弹的脱靶量和落角误差,并给出满足脱靶量和落角误差要求所需要的最少末导时间与时间常数的关系.

考虑自动驾驶仪动特性的终端角度约束滑模导引律

探讨了拦截机动目标情况下的攻击角度约束导引律设计问题。首先假设自动驾驶仪为理想环节,推导了一种滑模导引律,证明了该导引律的有限时间收敛特性。然后通过非线性反步设计法把上述导引律推广到考虑导弹自动驾驶仪动态延迟的情形上,仿真结果表明,导弹自动驾驶仪为实际跟踪环节,目标做大机动逃逸时该制导方法仍具有良好的制导性能。

双导弹拦截角度协同的微分对策制导律

为提高命中高价值目标的概率,基于线性二次型微分对策理论,对两枚导弹协同拦截单个目标的制导律进行了研究。单枚导弹在最小化自身脱靶量的同时,与另一枚导弹实现拦截角度上的协同,从而构成特定的拦截态势,以提高拦截机动目标的性能和末制导尾端对目标的可观测性。所推导的微分对策制导律考虑到了对策三方的控制系统动态,且具有解析解,形式上为零控脱靶量和零控协同拦截角误差的线性组合。基于推导结果完成了微分对策制导律的制导增益和对策空间分析,给出了鞍点解的存在条件,并进行了分析。非线性系统仿真结果表明由于导弹间存在显式的协同关系,拦截目标所需的加速度较低,且在设定的协同拦截角度收敛后,加速度会进一步减小。

多导弹攻击时间协同的滑模制导律

针对多导弹攻击时间协同的高价值或大型目标攻击问题,基于滑模控制方法,提出了一种非奇异的滑模制导律,并设计了一种适用于机动目标的导弹剩余飞行时间估计方法。通过对滑模制导律切换控制部分的合理设计,保证了系统的Lyapunov稳定性,且避免了滑模面的收敛和保持受到弹道收敛的影响总是可达的。适用于机动目标的剩余飞行时间估计方法采用虚拟目标的设计思路,将目标加速度和速度对弹目相对运动关系的影响投影到弹目视线方向上,从而实现目标的虚拟静止。针对目标固定、非机动和机动三种情况,进行了多枚导弹飞行时间协同攻击的数字仿真。仿真结果表明所估计的剩余飞行时间可以快速收敛到真值,且误差趋近于零。所设计的多导弹攻击时间协同滑模制导律在完成目标攻击的同时,实现了导弹间在攻击时间上的协同。

带有攻击角约束的多导弹协同制导律

针对带有攻击角约束的多导弹同时攻击机动目标问题,提出了一种带有攻击角约束的协同制导律。首先基于平面内的导弹-目标相对运动方程,建立了带有攻击角约束的协同制导模型;其次,把协同制导律的设计过程分离为两个部分:一是基于图论的有关内容,运用有限时间一致性理论设计沿着视线方向上的加速度指令来保证所有导弹与目标的相对距离在有限时间内到达一致,进而保证所有的导弹同时击中机动目标;二是利用非齐次干扰观测器对机动目标的加速度进行估计,并运用滑模控制设计视线法向上的加速度指令来保证每枚导弹与目标间的视线角速率收敛到零和视线角收敛到期望的终端视线角,即每枚导弹以期望的终端视线角成功击中目标;最后,对三枚导弹同时打击同一机动目标的情况进行仿真,仿真结果表明本文设计的带有攻击角约束的协同制导律的有效性和正确性。

基于扩张观测器的三维动态面导引律

为提高导弹拦截高速机动目标的精度,基于自抗扰控制理论的估计补偿思想,设计了考虑自动驾驶仪动态特性和目标机动的三维动态面导引律。首先,建立了考虑自动驾驶仪动态特性的三维耦合制导模型;其次,针对制导模型中所存在的目标机动和测量噪声的干扰,设计扩张观测器估计目标机动和视线角速率,并将其应用到导引律的设计中;再次,基于动态面控制方法设计了三维空间导引律,避免了传统反演控制方法中的"微分膨胀"问题;最后,在目标作不同机动情况下,所设计的导引律与比例导引律、动态面导引律进行比较,仿真结果表明所设计的导引律具有更好的制导性能。

基于模糊变系数策略的迎击拦截变结构制导律设计

迎击拦截是拦截问题中常见的一种制导方式。为提高拦截器的末制导精度,基于变结构控制设计零化视线角速率的变结构制导律是一种典型方法。对高速目标的迎击拦截出现相对速度过大,目标机动能力引起的导引初段需用过载过大的问题,应用模糊控制设计制导律的导航项及变结构项系数随剩余导引时间变化的策略以延长系统进入滑模面的时间,使系统进入滑模面的同时有效减小末制导初段的控制量。建模及仿真结果显示,该制导律在使视线角速率收敛的同时显著地减小了导引初段的需用过载,验证了该方法的有效性及对传统比例导引律的优越性。

一种考虑自动驾驶仪动态特性的自适应变结构制导律

对于平面拦截问题 ,提出了一种新的具有强鲁棒性的末端导引规律。将目标的机动加速度视为一类有界扰动 ,以视线角速率作为零输出状态变量 ,考虑导弹自动驾驶仪动态特性 ,应用滑模趋近律概念 ,综合设计了一种自适应变结构制导律。理论分析与数字仿真表明这种制导律不但具有优良的弹道特性 ,而且具有很强的鲁棒性和适应性 ,同时方法简单、易于理解 ,便于工程应用。

捷联式天线稳定平台动力学建模与仿真分析

对于体积有限制的战术导弹应用,导引头天线伺服系统的体积受到严格限制,传统的速率陀螺稳定平台的应用受到挑战,为此提出采用捷联稳定方式来解决视线稳定问题.根据弹载捷联式天线平台的结构特点及稳定原理,应用坐标变换方法,完整地建立了两自由度捷联式天线平台的运动学与动力学模型.通过分析平台框架运动学耦合关系,表明捷联稳定方式与速率陀螺稳定方式的基本区别在于信息的获取和控制方式上,速率陀螺稳定方式是一种直接硬件稳定方法,而捷联稳定方式是一种软件补偿方法.在此基础上,对框架动力学耦合特性进行了数值仿真,结果表明:弹体对框架的耦合较强,需要进行弹体解耦,而框架之间的交叉耦合相对较弱,实际设计时可以忽略.所得结果为进一步研究捷联式天线稳定平台提供了理论基础,也为小型化导引头视线稳定平台系统的工程设计提供了一种解决方案.

具有攻击角约束的非奇异终端滑模导引律设计

为了满足导弹拦截高速大机动目标时高精度制导的需求,首先对二维平面内的弹目相对运动方程进行状态扩张,对于影响制导性能的目标总扰动采用了扩张状态观测器的方法进行动态补偿。然后在非奇异终端滑模面的基础上选取了两种滑模趋近律,设计了两种具有攻击角约束的非奇异终端滑模导引律。最后数值仿真结果表明,在观测器对扩张系统状态进行实时有效估计的前提下,针对不同的期望视线角和目标机动方式,所设计的两种导引律在满足期望的性能要求的同时,可实现导弹对目标的高精度快速打击。

带视场角限制的攻击时间控制制导律

为了实现多导弹协同攻击同一目标,根据弹目拦截几何关系,设计一种带有攻击时间控制及导引头视场限制的协同制导律。采用多项式函数推导含时间控制的导引指令,以附加反馈项的形式引入导引头视场角函数,实现对攻击时间及导引头视场角的同时约束。当已知导弹过载及导引头视场限制,导弹弹道轨迹可以由初始导弹参数确定,从而可以计算得出协同制导时间的边界值。仿真结果验证了该协同制导律的有效性。

基于零脱靶量设计的变结构末制导律

对于三维目标拦截问题,提出了一种新的具有强鲁棒性的末端导引律。该方法将目标的机动加速度视为已知的有界扰动,考虑了导弹自动驾驶仪的动态特性,基于导弹对目标的零脱靶量综合设计了非线性三维变结构鲁棒末制导律。理论分析与数字仿真表明这种制导律不但具有优良的弹道特性,而且对目标机动都具有很强的鲁棒性和适应性,同时方法简单,易于理解,便于工程应用。

弹载捷联式天线平台两种稳定实现方法的比较

对于小型化雷达导引头,为了消除弹体姿态变化对目标测量的影响,采用捷联式稳定平台来实现天线的稳定。基于补偿原理,对弹载天线平台捷联稳定的两种实现方法———角速度补偿法和角位置补偿法进行了比较研究,给出了具体的补偿算法及其特性分析,同时对分别采用两种补偿方法的系统稳定效果进行了数值仿真。结果表明,在测量误差较小的情况下,两种方法均可实现天线的捷联稳定,而角速度补偿法对测量误差比较敏感。因此,在环境比较恶劣的稳定平台应用中,角位置补偿法比角速度补偿法具有更大的优越性。