基于视线协同和DMPC的载机-防御弹群协同主动防御制导策略

在目标-攻击弹-防御弹群(target-attacker-defenders,TADs)系统中,防御弹群通过与目标(载机)异构协同、弹群间同构协同以保护载机并降低单弹脱靶的风险。针对TADs系统在二维平面下的协同主动防御模型进行了研究,采用机/弹协同和防御弹群协同的两层制导策略。在机弹协同方面,防御弹领弹与载机进行异构协同,考虑载机及防御弹领弹的机动能力限制,采用协同视线制导律(cooperative line of sight guidance,CLOSG)分别得到载机和防御弹领弹的制导指令;在防御弹群协同方面,考虑单弹计算能力约束,拦截时间约束和加速度约束,设计出基于分布式模型预测控制(distributed model predictive control,DMPC)的算法实现弹群从弹和防御弹领弹协同同时抵达并拦截攻击弹。仿真结果表明,多防御弹协同一致拦截制导算法能够实现TADs系统中载机和防御弹群的异构协同主动防御,并实现防御弹群的一致性同时拦截,以降低单弹脱靶的风险。

一种带终端视线角约束的反舰导弹三维协同制导律

针对导弹的协同攻击问题,设计了一种带终端视线角约束的三维协同制导律,在视线坐标系下建立导弹-目标相对运动方程,基于一致性理论设计沿视线方向上的加速度使得多枚导弹同时攻击目标,基于有限时间理论设计沿视线法向上的加速度,使得各枚导弹以期望的视线角命中目标,并利用李雅普诺夫理论对所设计的制导律给出了稳定性证明,针对4枚导弹同时攻击海平面上机动的舰船这一场景进行了仿真,仿真结果表明所设计的制导律能够满足期望指标要求,具有较高的打击精度,并且所设计的制导律在导弹通讯拓扑结构发生变化时同样有效。

预定时间多导弹三维协同制导律

针对多枚导弹在三维空间中协同打击机动目标问题,提出了一种具有攻击时间约束和视线角约束的预定时间协同制导律。提出的预定时间协同制导律由两部分组成。首先,设计了新的预定时间多智能体一致性协议,在此基础上设计了视线方向的预定时间协同制导律,保证各导弹同时命中目标。此外,设计了新的预定时间非奇异快速终端滑模面,在此基础上设计了视线法向的预定时间协同制导律,使得各导弹可以在预定时间内收敛到期望的视线角。最后,通过对以上协同制导律进行三维数值仿真,验证了设计的预定时间协同制导律的有效性。

目标飞行器反拦截协同制导策略

为了提高目标飞行器的突防能力,基于视线(LOS)指令制导原理设计了一种协同制导策略。在建立目标飞行器、防御弹以及攻击弹相对运动模型的基础上,证明了LOS制导的可行性,得到了防御弹和攻击弹的加速度关系,并给出了防御弹的LOS指令制导算法;然后,将目标飞行器和防御弹作为一个协同体,为目标飞行器突防进行逆比例制导设计。该协同制导策略不仅用于目标飞行器规避攻击弹拦截,且使得防御弹在不具有速度和加速度优势的条件下也能成功拦截攻击弹。仿真结果表明:所设计的协同制导策略使防御弹具有较高的制导精度,有效提高了目标飞行器的突防概率,为实际工程应用提供了参考。

带视线角约束的多导弹有限时间协同制导律

针对多导弹在平面内从各自期望方向同时击中机动目标的问题,提出了一种带视线角约束且能打击机动目标的有限时间协同制导律。基于平面内的导弹-目标相对运动方程建立了考虑视线角约束的多导弹协同制导模型;在视线方向基于多智能体协同控制理论和积分滑模控制理论设计了多导弹分布式有限时间协同制导律,以保证所有导弹打击时刻有限时间趋于一致;在视线法向方向采用非线性干扰观测器对目标加速度在有限时间内进行估计,并基于有限时间滑模控制理论设计了带视线角约束的制导律,以保证导弹击中机动目标且其视线角有限时间内收敛到期望值。通过仿真验证了所设计的协同制导律可使多导弹从各自期望方向同时击中机动目标。

考虑探测效能的有限时间协同制导方法

针对多飞行器协同拦截机动目标问题,基于有限时间控制理论设计了一种考虑探测几何构形的协同制导方法。假设飞行器具有1阶动力学特性,根据质点相对运动方程和协同探测原理建立了考虑探测几何构形的协同拦截模型。基于微分不等式理论给出系统状态有限时间有界和输入输出有限时间稳定的充分条件,并在此基础上设计了有限时间协同制导方法。该方法用度量矩阵刻画系统状态和输出动态品质,能够同时保证制导系统状态和输出在有限时间内有界和稳定。仿真结果表明:在目标进行不同程度机动情况下,所提制导方法均能够保证视线分离角收敛到预置角度、视线角速率收敛到0rad/s且加速度不超过最大物理限制;与比例导引与最优制导方法相比,有限时间协同制导方法在探测和制导环节均具有较大优势。

主动防御协同自适应滑模制导律

飞机相比于攻击导弹,在飞行速度和机动性能等方面存在着劣势。为了提高其生存几率,设计了一种发射防御导弹协同对抗攻击导弹的自适应滑模制导律。该制导律本质是一种视线(Line of Sight,LOS)制导方法,通过对飞机与防御导弹和防御导弹与攻击导弹间的LOS调整以满足特定的几何关系,从而实现对攻击导弹的主动防御。最后,将所设计的制导律与比例导引进行了仿真比较。结果表明,由于与目标间的协同,所设计的制导律在机动性能和拦截性能方面具有明显的优势,且对于三方的飞行速度变化与攻击导弹的机动具有较强的鲁棒性。

拦截机动目标的分布式协同围捕制导方法

研究了多领导者-多跟随者模式下多飞行器协同拦截机动目标的分布式协同围捕制导问题。借鉴狼群协同围捕大机动猎物的行为学机理,在数学层面抽象出领-从模式协同制导架构、分布式通信与状态估计以及多路多方向协同围捕制导律3种映射策略。首先,针对领-从模式协同制导架构,提出了多领导者-多跟随者协同围捕方案。其次,针对多领导者飞行器,设计带有目标不确定机动补偿的协同逆轨拦截制导律,为跟随者飞行器提供有利的围捕拦截参考轨迹。再次,针对多跟随者,利用分布式状态观测器对多领导者状态轨迹凸组合进行估计,进而设计了时变围捕视线角编队跟踪制导律,引入动态增益补偿系统来解决最大可用过载受限问题。然后,证明了闭环系统稳定性,并给出了协同制导可行性分析结论。最后,对理论结果进行仿真验证,结果显示,多飞行器在目标逃逸方向两侧形成一定散布的围捕构型,即存在若干飞行器的末制导拦截阵位是合适的,提高了对机动目标的拦截效能。