高速飞行器俯冲段制导控制一体化综述

本文从模型构建和方法设计两个方面对高速飞行器俯冲段制导控制一体化问题进行综述。首先,对俯冲段制导控制一体化模型构建进行总结,依据系统集成度提升程度的不同,分别对分通道制导控制一体化模型、全状态耦合高阶一体化模型,以及集成度提升低阶一体化模型构建进行了介绍,并对飞行器系统和设计模型特性进行了分析,指出了面临的主要设计问题。其次,针对俯冲段制导控制一体化设计难点,从快时变强不确定性鲁棒控制、高阶非匹配不确定性控制,以及考虑多约束控制方面对设计方法进行综述,总结并评述了国内外相关理论的发展现状和不足。最后,对俯冲段制导控制一体化的发展趋势进行了展望。

再入滑翔飞行器俯冲段智能博弈机动策略

针对再入滑翔飞行器在俯冲段易受拦截器威胁这一问题,提出了一种智能博弈机动策略,可有效规避拦截威胁,并保证命中精度。首先,构建包括再入滑翔飞行器、典型拦截器等动力学、运动学和制导律模型的强化学习训练环境。其次,将飞行器运动参数作为状态变量,将攻角和倾侧角的变化率设计为动作变量,以拦截器脱靶量和落点偏差设计奖励函数,将博弈机动问题转化为马尔科夫决策过程。为解决深度强化学习中的稀疏奖励问题,提高了较高优先级样本和成功样本的采样概率以加速策略提升,同时设计了一种基于任务成功率的自适应动作噪声,以改进深度确定性策略梯度算法的探索机制,提高了智能博弈机动策略的训练效率。最后,针对典型场景进行了数学仿真,结果表明提出的智能博弈机动策略在泛化场景下成功率仍大于90%,从而验证了方法的有效性和神经网络的泛化能力。

基于反馈线性化及滑模控制的俯冲机动制导方法

以高超声速飞行器为研究对象,针对俯冲段精确制导及机动突防问题,基于反馈线性化与滑模控制研究了机动突防滑模跟踪制导方法。首先设计纵向俯冲及侧向机动弹道,其次利用反馈线性化将非线性运动方程转化为线性方程,基于该线性方程利用滑模控制对已设计的弹道进行跟踪,最终将线性跟踪制导律转换到非线性系统中获得非线性滑模跟踪制导律,该制导律完全基于飞行器当前运动状态,所需的相对运动信息大大减少。CAV-H飞行器制导实例仿真表明,该方法能够实现俯冲段精确制导及机动飞行,且对初始及过程偏差具有较强的鲁棒性,能够为高超声速飞行器俯冲段制导提供有益参考。

高超声速飞行器俯冲机动最优制导方法

为解决高超声速飞行器俯冲段精确制导与机动突防问题,研究了机动突防最优制导方法。针对零化视线角速率降低突防性能的问题,在俯冲平面及转弯平面内分别设计了正弦形式的视线角参考运动,同时为进一步实现俯冲精确制导,以落速最大为性能指标,利用最优控制对其进行跟踪,引入了伪控制量,以简化最优制导问题的求解,最后分析了该方法的稳定性及制导性能。以CAV-H为例进行仿真分析,仿真结果表明,该方法能够实现机动飞行,且能够高精度地满足终端落角及落点约束,可为高超声速飞行器俯冲段精确制导及机动突防提供参考。

高超声速飞行器俯冲段制导与姿控系统设计

针对高超声速飞行器俯冲飞行段制导与姿态控制问题,建立基于飞行器加速度分量的三通道角速率解算模型,提出一种新颖的制导控制系统设计方法。建立高超声速飞行器俯冲段六自由度(6DOF)质心和绕质心动力学与运动模型,以目标-飞行器三维(3D)空间相对运动模型为基础,利用终端滑模控制方法和零化视线(LOS)角速率原理得到飞行器期望过载进而解算对应的俯仰、偏航和滚转角速率指令;姿控系统基于滑模控制理论完成该三通道角速率指令的跟踪并生成飞行器舵偏指令;该方法以解析模型替代传统姿控系统设计中欧拉角指令的跟踪回路,可有效降低制导与姿控系统阶数并减少控制系统设计参数,同时省略了根据气动系数反求欧拉角指令的过程;仿真结果显示,该方法能保证高超声速飞行器(GHV)精确命中地面固定目标,且俯冲飞行过程中各项状态变量均稳定可控。

助推滑翔高超声速反舰导弹多方向协同突防可行性研究

在分析助推滑翔高超声速反舰导弹弹道特点的基础上,设计可能的多弹协同突防策略;建立下压段导弹质心运动方程,并在满足落角约束的最优导引律条件下,分析单平台发射多枚导弹多方向协同突防的可行性。通过仿真得出助推滑翔高超声速反舰导弹在过载、落地倾角、动压等条件的约束下,采用人工设置虚拟目标的方式进行单平台多弹多方向协同突防具有可行性。

一种俯冲段子孔径SAR大斜视成像及几何校正方法

俯冲合成孔径雷达(SAR)成像由于垂直向下速度的存在,使得沿水平飞行方向不再满足平移不变性,导致常规全孔径成像算法无法直接运用于俯冲段的大斜视子孔径成像。针对这些问题,该文基于"俯冲等效平飞"模型以及子孔径成像特性提出一种俯冲段子孔径SAR大斜视成像算法频域相位滤波算法(FPFA)。其创新思想是通过方位频域引入滤波因子校正方位空变。由于俯冲等效平飞模型会造成成像平面的旋转,引起较大的图像畸变,为了解决该问题,该文进一步提出一种基于反向投影的快速几何校正方法,得到近似无畸变或畸变较小的地距图像。仿真和实测数据处理验证该文成像方法和几何校正方法的有效性。

江苏省耕地面积变化及其驱动力动态研究

以东部沿海典型发达省份江苏省为例,集成应用灰色关联分析、因子分析和多元逐步回归分析方法,探讨不同经济发展阶段耕地面积变化特征及其驱动力。结果表明:①1985年来江苏省耕地面积持续减少,年均递减率为0.45%,且快速工业化阶段耕地面积的减少速度明显加快,年均递减率高达0.60%,而工业化初期仅为0.30%;②耕地面积减少导致2005年粮食较1985年减产266.79万t,粮食损失率为8.60%;③不同经济发展阶段,江苏省耕地面积变化的主导驱动因素有所不同,在工业化初期是以工业化和城镇化为主导,在快速工业化阶段,则以全社会固定资产投资、化肥施用强度、非农产业发展和道路交通建设为主导。总体来讲,经济增长和土地利用比较效益差异是研究时段内江苏省耕地面积变化的主导驱动力。图2,表4,参15。

带落速落角约束的高超声速飞行器俯冲轨迹规划方法

针对高超声速飞行器俯冲段精确打击任务需求,提出了一种能够同时满足落速与落角约束的轨迹规划方法。建立了两段式轨迹规划策略,第一段采用参数化控制剖面调节飞行速度,第二段采用传统偏置比例导引律实现落角控制。将控制剖面的参数设计分解为多参数优化与单参数搜索两个问题:通过离线求解可行初始位置范围最大的多参数优化问题,提高控制剖面对初始偏差的适应性;通过在线求解带罚函数的单参数搜索问题,得到落速偏差最小的俯冲轨迹。结合高超声速飞行器模型,对所提出的俯冲轨迹规划方法进行了仿真。结果表明,该方法能够得到满足落速与落角约束的俯冲轨迹,具有较好的求解效率,且对初始状态偏差具有较强的鲁棒性。

多约束下铰链力矩最优俯冲制导方法

针对高超声速飞行器俯冲段铰链力矩过大问题,提出一种考虑终端落角和落点约束的铰链力矩最优俯冲制导方法。首先通过瞬时平衡假设建立铰链力矩与过载的线性关系,以过载量间接表征铰链力矩;其次以过载为控制量,将俯冲段相对运动方程化为显含过载的状态空间形式;最后,利用最优控制理论,以过载最小为性能指标,引入伪控制量,求解出过载最小的解析最优制导律。仿真结果表明该方法能高精度的满足终端落角和落点约束,并且过载峰值降低,铰链力矩最大值显著减小。

高超声速飞行器俯冲段制导控制方法研究

针对高超声速飞行器俯冲段制导控制问题,利用四元数代替欧拉角建立了六自由度模型,避免了高超飞行器大姿态角机动时,欧拉角解算出现发散的问题;基于六自由度模型推导出一种新的制导控制模式:外环利用飞行器状态及目标-飞行器三维相对运动信息,解算出所需的飞行器角速度作为虚拟控制量,内环采用滑模控制器跟踪外环产生的角速度指令,得到飞行器舵偏角指令;该方法采用跟踪角速度代替跟踪欧拉角指令的方法,可以使飞行器实际飞行更加平稳;仿真结果也表明,该方法能够使高超声速飞行器准确命中目标,且其飞行过程中各项状态量均平稳可控。

助推滑翔高超声速导弹下压段攻击范围研究

下压段作为助推滑翔高超声速导弹的导引段,其攻击范围直接决定导弹可执行的使命任务以及可打击的典型目标。基于三自由度下压段弹道仿真模型和满足落角约束的最优导引律模型,建立下压段起始高度等因素对导弹攻击范围的影响分析模型,并通过弹道平移的方法仿真分析各因素对攻击范围的影响。通过仿真分析得出各影响因素对助推滑翔高超声速导弹攻击范围的作用机理,可为导弹下压段弹道设计及导弹作战能力评估提供理论和技术支撑。

导弹纵向平面部分制导控制一体化设计方法

针对导弹俯冲段纵向平面制导控制系统设计问题,提出了一种部分制导控制一体化设计方法。建立了一种基于导弹加速度分量的俯仰角速率解析模型。联立导弹-目标相对运动模型和俯仰角速率解析模型,利用滑模控制方法,并引入动态面控制中的低通滤波器思想,制导分系统直接生成俯仰角速率指令及其变化率。姿控分系统基于滑模控制方法实现对俯仰角速率指令的跟踪并解算俯仰舵偏角指令。仿真试验结果表明,该方法能够使导弹准确命中地面目标,并对参数偏差具有较好的鲁棒性。

高超声速飞行器三通道耦合制导律与鲁棒控制律设计

针对高超声速飞行器俯冲段制导控制问题,提出了一种基于李代数和增量非线性动态逆的制导控制系统联合设计方法。将飞行器在俯冲段的制导目标转换为需求视线坐标系约束,在李群上建立了以当前视线坐标系与需求视线坐标系转换矩阵变化率表示的飞行器与目标的相对运动模型,同时建立以欧拉运动方程表示的飞行器姿态运动模型。针对李群上建立的相对运动方程,基于SO(3)上的广义PD控制方法设计了制导律,并针对姿态运动方程借助增量非线性动态逆方法设计了对气动干扰具有强鲁棒的姿态控制律。通过蒙特卡洛仿真试验,验证了制导控制系统联合设计方法的有效性和鲁棒性。

高超声速临近空间飞行器铰链力矩最小俯冲弹道设计

为解决高超声速临近空间飞行器俯冲段铰链力矩过大问题,给出了一种降低铰链力矩的俯冲弹道设计方法.在建立俯冲弹道优化模型的基础上,利用Gauss伪谱法将弹道优化问题转化为非线性规划问题,进而将其作为极大极小优化问题采用序列二次规划方法进行求解,其中优化的初值由按照最优导引方式生成的初始弹道获得.在普通台式机上耗时约2min,获得的优化弹道铰链力矩峰值下降达67%,并且各种约束条件均可满足,采用美国GAV-H飞行器总体和气动参数进行了铰链力矩最小俯冲弹道仿真,分析了最优俯冲起点的选取策略,结果表明,该铰链力矩最小俯冲弹道设计方法具有可行性.

目标机动对高超声速反舰导弹下压段导引特性的影响分析

在分析高超声速反舰导弹下压段弹道特点的基础上,建立下压段导弹质心运动方程以及目标运动模型,并以满足落角约束的最优导引律作为下压段的导引律,分析目标机动对高超声速反舰导弹下压段整体弹道规划、飞行速度、攻角、弹道倾角、法向过载和动压等的变化规律的影响。通过仿真得出,水面舰艇目标的机动对高超声速反舰导弹下压段的弹道变化规律影响很小,但仍要充分考虑目标机动对导弹过载、动压等约束条件的影响。

高超声速飞行器俯冲段制导控制一体化设计方法

针对高超声速飞行器高速俯冲飞行段制导控制系统设计问题,建立了俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型,提出了一种新颖的六自由度(6DoF)制导控制系统设计方法。基于目标-飞行器三维空间相对运动模型和坐标系转移关系建立了三维全耦合俯冲相对运动模型,推导得到了飞行器加速度在弹道坐标系三轴的分量与飞行器三通道角速率间的解析模型,进而结合飞行器绕质心动力学模型建立了以气动舵偏角为控制输入的俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型。该制导控制一体化低阶设计模型降低了俯冲飞行段制导控制系统的模型阶数,减少了六自由度制导控制系统的设计参数,省略了传统设计方法中根据期望过载反求气动欧拉角的过程;同时利用解析模型替代了传统方法中姿态控制环路的跟踪控制过程,简化了制导控制系统的设计流程,为制导控制一体化设计提供了一种新的分析思路。数值仿真结果验证了本文提出的制导控制一体化设计方法的有效性和鲁棒性。

跳板跳水起跳动作时的人板协调关系

为了研究运动员在跳板跳水起跳过程中人板之间的协调关系,根据跳板跳水运动特征建立起跳过程的"人-板"系统模型,分析得到起跳过程的4个有机联系的时相以及各个时相能量转化的特点。以4名运动员为研究对象建立了走板起跳的数据模型,从相关分析的角度首先分析了人板协调关系,然后利用数据模型量化分析了各个动作结构时相在起跳周期中所占的比例以及肢体运动模式特征,从能量转化的角度进一步分析了人板之间的协调关系。