基于间接Radau伪谱法的滑翔段轨迹跟踪制导律

针对高超声速飞行器滑翔段制导问题,提出一种利用间接Radau伪谱法求解最优反馈控制律的全状态标称轨迹跟踪制导律。将标称轨迹跟踪问题转化为线性时变系统状态调节器问题,基于Pontryagin极大值原理进一步将状态调节器问题转化为线性两点边值问题;利用间接Radau伪谱法求解所得的线性两点边值问题,获得最优反馈控制律,并在此基础上设计了易于在线执行的闭环轨迹跟踪制导律。数值仿真结果表明,该制导律对飞行器初始状态量的较大范围偏差和飞行环境参数的有限扰动不敏感,具有良好的鲁棒性,并且能够满足实时性的需求。

基于Gauss伪谱方法的高超声速滑翔飞行器滑翔段轨迹优化

基于一种求解最优控制问题的方法-Gauss伪谱法(Gauss Pseudospectral Method-GPM),研究了高超声速滑翔飞行器滑翔段迹优化问题。本文利用微分形式高斯伪谱方法将飞行器三自由度滑翔段轨迹优化问题转化为非线性规划问题,选取高斯节点上的状态量和控制量作为待优化参数,并将最优性能指标选为纵程最大,然后对滑翔段轨迹进行了求解。以某高超声速滑翔式飞行器为对象进行轨迹优化计算,仿真结果验证了本文的轨迹优化方法具有一定的精度和计算效率。此外,仿真过程还说明高斯伪谱法对状态猜测值并不敏感,算法容易收敛,适用于轨迹优化问题的求解。

多约束条件下的反临近空间拦截弹滑翔段弹道规划

针对临近空间拦截弹滑翔段离线弹道优化问题,提出一种满足多约束条件的弹道规划方法。首先,通过对拦截弹中制导段运动模型的简化得出滑翔段运动模型;然后,利用庞特里亚金极小值原理推导出满足多约束条件的间接法模型,将弹道优化问题转化为协态变量初值猜测的两点边值问题。采用邻近极值法进行协态变量初值选取,降低了初值猜测的难度和计算量。仿真结果表明,相较比例导引弹道和高斯伪谱弹道,所提方法弹道可同时满足终端约束条件和多种过程约束条件,且优化结果精度更高,可有效解决离线弹道优化问题。

可重复使用运载器滑翔段轨迹快速优化方法

针对滑翔段轨迹多约束、强耦合、高非线性等特点,设计了一种全新的纵向飞行剖面,实现了终端约束和拟平衡滑翔条件的自动满足,并将滑翔段轨迹优化问题转化为一个双参数寻优问题。同时考虑倾侧角大小及其变化率约束,对侧向轨迹进行了设计。最后,设计了一种改进粒子群优化算法,通过外点法对约束条件进行处理,并提出一种变异策略对种群多样性进行准确控制,避免粒子陷入局部最优。仿真结果表明,该优化方法能够快速生成满足所有约束条件的最优滑翔轨迹;对于航程超过3000 km的场景,轨迹优化平均时间仅为5.94 s,最大终端相对误差不超过1%。

高超声速飞行器滑翔段制导姿控一体化设计方法研究

吸气式通用高超声速飞行器(GHV)在滑翔段飞行具有强耦合、非线性的特点,为了实现滑翔段飞行高精度控制,开展了飞行器滑翔段制导姿控一体化设计方法研究。首先建立了面向航程和方位误差控制的滑翔段制导姿控一体化设计模型,运用自适应块动态面方法,完成了高超声速飞行器滑翔段制导姿控一体化系统的设计,同时利用李雅普诺夫定理完成了系统的稳定性分析。利用高超声速飞行器滑翔段典型飞行过程开展了仿真计算,结果验证了所设计的高超声速飞行器滑翔段制导姿控一体化设计方法的有效性。制导姿控一体化方法的滑翔段终端位置控制精度很高,飞行全程对于各个角度的指令跟踪精度高,舵偏控制量较小,系统稳定性较好。

基于滚动时域估计的高超声速飞行器轨迹跟踪

针对高超声速飞行器高精度轨迹跟踪问题,提出一种将滚动时域估计与交互式多模型算法相结合的强机动目标轨迹跟踪算法。给出了半速度系下的高超声速飞行器滑翔段运动模型及量测模型。利用滚动时域估计方法将状态估计问题转化为有约束的优化问题,并充分考虑飞行器滑翔段物理约束。在此基础上,为应对目标不同机动模式,借助交互式多模型算法思想建立模型集对其进行近似。分别在机动模式不变和机动模式突变的情况下对算法进行了验证。结果表明,新算法采用多个模型并行估计,即时调整模型概率后进行融合输出,能够有效避免目标跟踪模型失配,可显著提高对于高超声速飞行器这类强机动目标的轨迹跟踪精度。

高超声速飞行器改进阻力加速度剖面设计

针对高超声速飞行器在滑翔段标称轨迹制导过程中的阻力加速度剖面设计问题,提出了一种改进的阻力加速度剖面设计方法。为增大飞行器滑翔段航程,改善飞行状态参数,设计了以能量倒数为自变量的二次函数形式剖面,通过改变剖面中点处阻力加速度值的方式对剖面形状进行调整,以满足高超声速飞行器各项约束。仿真结果表明,与传统二次函数阻力加速度剖面进行对比,该阻力加速度剖面能够增加最大滑翔距离,并改善飞行状态参数,能支持飞行器完成禁飞区绕飞任务。

高超声速无动力滑翔飞行器最优弹道研究

分析高超声速无动力滑翔飞行器滑翔段最大射程弹道普遍存在的分段现象。根据该现象将滑翔段分为过渡段与准平衡滑翔段两段。提出基于Legendre伪谱法的弹道优化设计方法:在过渡段以其终点速度最大为优化目标对攻角进行优化;在准平衡滑翔段直接将攻角设计为最大升阻比攻角,经分析,该方法所得射程与滑翔段全程优化所得射程几乎相同。该方法简化了滑翔段射程优化问题。

美军高超声速防御体系发展研究

“大国竞争”战略下,美军从传感器层、指挥控制和拦截武器3方面持续推动高超声速防御体系的发展建设来抵消高超声速武器的装备优势,破解“大国竞争”对手反介入/区域拒止能力。自美国防部确定采取高超防御分层防御战略后,美军充分依托现有弹道导弹防御系统,通过探索运用新兴技术、发展多种拦截方式、积极与盟国合作等举措构建以天基为主、地海基传感器为辅的多平台预警探测体系,实时传输、天地联通的网络化指挥控制系统,以滑翔段拦截和末段拦截为主、多种拦截方式并存的拦截系统,计划在2034年构建战区级高超声速防御能力。

基于多目标优化算法的多弹道轨迹规划及仿真

多弹协同是导弹武器的热点研究方向,具有很高的研究价值,而如何规划多个导弹的飞行弹道,则是其中的重要研究内容。以助推滑翔导弹滑翔段弹道为研究对象,以规划多条优质弹道轨迹为目的,提出了一种基于MOEA/D(multi-objective evolutionary algorithm based on decomposition)算法的多弹道轨迹仿真实现方法。选取射程最大和末速最大作为目标函数,进行滑翔段弹道规划,同时,为降低初始种群对多目标优化问题的影响,借助伪谱法为多目标优化算法提供高质量初始种群。经仿真验证,该方法可得到多条具备射程最优和末速最优的导弹飞行弹道。

一种混合仿生算法在弹道优化中的应用

针对导弹滑翔段弹道优化问题,考虑人工鱼群算法局部搜索不精确、微粒群优化算法易发生过早收敛等问题,提出一种新的人工鱼群与粒子群混合优化算法。算法的主要策略是在人工鱼群算法的基础上,将人工鱼群优化算法中的觅食行为变为粒子群在感知范围内进行小范围寻优,在人工鱼群算法的最后,再利用粒子群进行精确寻优。以导弹飞行中的吸热量为优化目标,运用此算法设计得出了导弹滑翔段的优化弹道。

基于反馈线性化及滑模控制的跟踪制导方法

针对高超声速飞行器多种过程及终端约束滑翔制导问题,提出一种基于反馈线性化及滑模控制的纵向跟踪制导方法。首先设计了可满足滑翔走廊及终端约束的阻力加速度-能量(D-E)剖面;将简化的纵向运动方程转化为基于阻力加速度及其一二阶微分的非线性方程,并对其进行完全反馈线性化;最后基于该线性方程,利用滑模控制对已设计的剖面进行跟踪。CAV-H飞行器仿真分析表明,该制导方法能够实现高超声速飞行器滑翔段高精度制导,并对初始及过程偏差具有良好的鲁棒性。

美国区域高超声速导弹防御方案未来发展分析

随着高超声速武器的装备部署,美国正在发展高超声速防御体系,推进区域高超声速导弹防御能力的快速装备。研究了美国区域高超声速分层防御方案的主要装备、性能及研制进展,总结了美国区域高超声速防御方案的作战场景和主要作战模式。通过分析可以看出,美国将在2025年左右形成针对区域高超声速武器的末段防御能力,2030年左右初步建成分层防御能力。

基于滑模控制的剖面跟踪制导律

针对高超声速飞行器滑翔段的高精度制导问题,考虑复杂多约束条件以及干扰和不确定因素的影响,设计了一种基于全局积分滑模控制的剖面跟踪制导方法。首先,将多重约束转化为阻力加速度-速度(D-V)平面内的再入走廊;然后,以终端精度和总吸热量为性能指标,采用分段函数的形式优化设计出一条标准D-V剖面;再基于简化的动力学模型,推导得到关于阻力加速度微分和速度的二阶非线性模型;最后,基于滑模控制理论,设计全局积分滑模面和指数趋近律,获得控制量幅值大小,并结合侧向方位误差走廊确定控制量符号,从而实现对标准剖面的有效跟踪。采用CAV-H滑翔再入模型进行数值仿真,分析验证了提出的基于滑模控制的剖面跟踪制导律具有较好的跟踪性能和精度。

美国下一代反导体系架构解析

2020年,美导弹防御局公布新版反导体系架构,将当前中段、末段两个防御段拓展为左/右集成、助推段、中段/滑翔段、末段四个防御段,并增加F-35机载助推段拦截装备、反高超声速装备、定向能末段防御装备、新型陆/海/天基传感器等武器装备。该架构是《导弹防御评估》报告相关思想在装备体系层面的落实和发展,是美军为应对未来威胁提出的一种针对性更强、架构更完善的导弹防御体系架构。