高超声速飞行器轨迹凸优化与跟踪制导方法

为了提升高超声速飞行器无动力下滑段在制导探测信息不完整或探测设备被干扰情况下的突防生存性能,建立了下滑段高超声速飞行器的动力学模型。采用序列凸优化方法对弹道进行优化,在满足终端约束的前提下具有更优的控制能量消耗,同时保证了末端加速度收敛以及良好的计算性能。轨迹跟踪部分采用线性LQR控制器设计,稳定跟踪规划弹道。相比与传统最优控制的角度约束的制导律,下滑段采用轨迹规划-轨迹跟踪的方法,无需线视线角度信息,可在下滑段结束后再引入目标相对角度信息,在复杂电磁情况下具有更强的生存能力。

带落角和末端攻角约束的最优末制导律

针对现代导弹武器多约束、高精度制导的基本要求,在综合考虑带落角和末端攻角约束的条件下,用二次型最优控制推导出一种新的最优末制导律。仿真结果表明,该末制导律既能够满足高精度制导的要求,同时也能够满足对落角和末端攻角的控制要求。

带落角约束的再入机动弹头的变结构导引律

针对再入机动弹头垂直打击目标的要求,研究了具有末端落角约束的变结构导引律。该导引律包括俯冲平面内的制导方程和转弯平面内的制导方程,通过采用准滑动模态控制削弱抖振的影响。通过数学仿真,分析了四个制导参数对制导效果的影响,探讨了利用遗传算法离线优化制导参数的可行性,检验了最优制导参数的制导效果对不同初始状态偏差的敏感性。仿真结果表明,与最优导引律相比,变结构导引律具有较强的鲁棒性,在干扰影响下仍能保持较高的制导精度。

带终端角度约束的多目标最优鲁棒制导方法

BTT飞行器需要在环境与模型存在不确定性的情况下,满足攻角幅值、倾侧角转率等多约束条件,实现带终端角度约束的高精度制导。针对该问题提出了一种多目标最优鲁棒制导方法。建立含干扰输入描述的制导律设计模型,将制导问题转化为鲁棒制导律设计与制导律参数多目标综合优化两个子问题。采用基于L2性能指标的鲁棒控制方法设计制导律,将其中的参数作为待优化变量。建立多目标综合优化模型,基于遗传算法,优化制导律参数。数学仿真结果表明,提出的制导方法可以满足带终端角度约束的多目标制导任务要求。

扩展的多约束最优制导律及其特性研究

为满足侵彻攻击空地导弹末端制导要求,解决当前多约束制导律终端攻角控制问题,设计了包含受剩余飞行时间决定的控制量权函数,并引入到最优问题的目标函数中,基于线性二次最优控制理论推导得到一种扩展的多约束最优制导律。利用指令随时间变化解析表达式及伴随系数法,对制导律加速度指令变化规律及无量纲脱靶量特性进行了研究,证明了制导律指令的收敛性,从而为终端攻角控制创造了有利条件。同时,讨论了制导律增益n的设计原则。结合工程应用的需要,分别提出了一种制导初始条件设计方法及最大需用加速度的估计方法,可有效减小导弹末端机动。通过仿真验证了制导律及分析结论的有效性。

空间拦截红外末制导中拦截器与目标相对距离的估计

从空间拦截运动学方程出发建立了一个恰当的数学模型，运用基于两种规范型的非线性状态观测器设计方法，通过对相对速度在视线法向分量的观测，解决了红外末制导中拦截器与目标相对距离的估计问题。

带有落角约束的间接Gauss伪谱最优制导律

针对带有落角约束的末制导问题,提出了一种基于极小值原理和Gauss伪谱法的最优制导律。以期望落角方向为坐标轴定义了落角坐标系,并在其中建立了线性化的导引运动关系方程。将控制系统简化为1阶惯性环节,利用极小值原理得到正则方程,然后引入Gauss伪谱法进行离散,将其转化为代数方程,结合边界条件,推导出最优制导律的解析表达式,无需任何积分过程,避免了求解黎卡提微分方程。仿真结果表明,所提出的算法运算量小,计算效率高,同时也能方便地求解出复杂加权矩阵下的最优制导律,能够在满足落角约束的条件下更快地收敛到落角参考线,并且具有更小的末端需用过载。

基于Radau伪谱方法的轨迹优化

研究了导弹在末制导阶段满足多约束条件下的轨迹优化问题。针对传统方法在处理复杂的非线性运动学、动力学约束上存在的困难,提出了一种基于Radau伪谱方法(RPM)的求解策略。首先,给出了考虑导弹速度和空气密度变化、终端和过程约束条件以及2种不同的性能指标函数的最优轨迹优化问题;其次,利用RPM将轨迹优化问题转化为非线性规划问题,采用序列二次规划算法求得最优解;最后,分2种初始条件对最大落角和最大终端速度的轨迹优化问题进行了仿真验证,结果表明:本文方法能够在较短的时间内生成一条满足多种约束要求的高精度的最优轨迹。

有落角约束的电视制导武器导引律设计

电视制导武器上摄像机的视场角比较小,弹体稍有扰动,都会造成目标移出视场以外。因此希望在电视制导过程中,一方面目标视线能够保持稳定,另一方面要有足够大的攻击落角。为了实现这两方面的要求,需要设计专门的导引律。以最优控制理论为基础,把命中落角作为系统的终端约束条件,对目标机动情况下的最优导引律进行推导求解。最后以所求解的导引关系式进行仿真攻击,结果验证了该方法可以较好的抑制视线偏转速度和实现约束落角。

飞行器最优末制导律的自适应PID滑模设计

针对传统最优末制导律作用下再入飞行器易受外界因素干扰和气动力变化的影响,致使命中精度较低、鲁棒性较差的问题,在弹目运动方程存在参数不确定性情况下,提出一种基于自适应PID滑模扰动观测器技术的鲁棒最优末制导律。其中滑模扰动观测器能够在线消除系统扰动影响,而自适应PID滑模可以有效去除抖振。基于Lyapunov稳定性理论的证明过程及数值仿真结果均表明,该末制导律不仅使飞行器各项性能指标均达到指标要求,并且保证了较高的命中精度和较强的鲁棒性。

超音速反舰导弹的最优末制导律研究

研究了超音速反舰导弹的末制导问题。利用伪控制变量的概念,建立了简单的描述反舰导弹与目标舰艇相对运动的状态方程。根据最优控制理论,推导了反舰导弹的最优末制导律,保证脱靶量指标和能量消耗均为最小。最后,举例进行了全弹道仿真研究,仿真结果表明了所设计的最优末制导律的有效性。

一种多约束条件下的最优末制导律研究

为了更好地满足现代导弹武器多约束、高精度制导的基本要求,提出一种新的最优末制导律。在综合考虑落角和末端攻角的要求下,用二次型最优控制推导出新的制导律,并给出了零阶无时延系统的表达式,最后运用典型弹道仿真和对比试验验证了该制导律的良好的弹道性能。仿真结果表明:该制导律不但能够满足多约束高精度制导的要求,而且对落角、末端攻角控制和早期弹道修正具有较大的优势。

接近观测最后逼近段最优制导方法

接近观测是一种新兴的天基观测手段,精确地导引飞行器到达目标附近合适的观测点是关键技术之一。针对接近观测最后逼近段制导问题,提出了一种最优末制导方法。在惯性系中建立了相对运动方程,把目标和观测点的相对位置作为终端约束,引入了综合考虑飞行时间与燃料消耗要求的性能指标,从而把接近目标的过程转化为最优控制问题,求解出最优推力方向、发动机工作时间和飞行时间。在此基础上,设计了最优制导方案。仿真分析表明最优末制导方法的精度较高,能够满足抵近观察任务的要求,同时对深空探测、交会对接等任务具有借鉴意义。

反舰导弹最优末制导律及其仿真研究

选择合适的末制导律是实现反舰导弹精确制导的重要因素。以最优控制理论和飞行力学原理为基础,针对目标作加速直线航行和机动转弯两种情况,文中研究了兼顾脱靶量和能量消耗两个性能指标的反舰导弹最优末制导律。在求解最优末制导律时,引入伪控制变量的概念来简化问题求解的复杂度。仿真结果表明,文中所设计的最优末制导律在制导过程中能量消耗少、脱靶量小、制导精度高,且算法简单。

带落角约束的导弹制导控制一体化最优控制律设计

带有落角约束的空地导弹制导控制一体化设计,可有效提高导弹的制导精度和毁伤效果,已成为当今研究的热点之一。针对小型空地导弹建立俯仰平面导弹一体化模型,同时为实现落角约束,将其转化为含有落角约束项的线性系统;继而采用线性二次型最优控制方法设计带落角约束的导弹一体化最优控制律;最后对所设计的控制律与一种滑模变结构控制律做仿真对比,结果表明导弹在所提设计控制律作用下,既可以保证导弹的制导精度,实现落角约束,同时也可以保证弹道的平滑,缩短制导时间,体现出了良好的性能。

约束条件下的末制导律研究进展

随着武器作战样式的变革,带约束条件下的末制导律研究受到了越来越广泛的关注。评述了近年来约束条件下的末制导律的研究新进展,对目前约束条件下的末制导律设计进行了详细的研究,分析了各种方法的优缺点。在此基础上,对比给出了多约束条件下的末制导律设计的难题以及可能解决的途径。

基于二阶滑模的鲁棒最优末制导律设计

针对传统最优末制导律鲁棒性较差,对外扰及参数摄动敏感等不足,提出一种基于二阶滑模控制技术的鲁棒最优末制导律设计方案。首先以俯冲平面上的末制导律设计为例,设计二阶滑模控制以实现滑动模态及其导数在有限时间内收敛。然后考虑系统存在不满足匹配性条件的参数不确定性和外部扰动,利用基于自适应的super-twisting算法设计不连续项,以保证所设计的二阶滑模最优末制导律的连续性。最后基于Lyapunov的稳定性理论证明及仿真结果均表明,所设计的末制导方案具有很高的命中精度及较强的鲁棒性。

一种基于在线能量推演的自适应末端能量管理方法

新一代RLV要求末端能量管理(TAEM)可适应较大的窗口能量偏差,且BTT模式使飞行器的纵向和横侧向耦合严重,高度-速度难以协调控制。针对此问题,文章提出了一种基于在线能量推演的强自适应TAEM方法。该方法的"直接进入柱面可变"能量管理模式利用能量推演计算手段在线生成期望的能量-航程剖面,基于该剖面在线规划飞行轨迹和航向校正圆,使TAEM轨迹自适应窗口能量的不确定性,且易于实现高度速度协调控制。随后将弹道跟踪问题转化为模型预测静态规划(MPSP)问题,基于优化理论设计了在线迭代自适应制导律,解决了该模式在扰动条件下的轨迹自适应跟踪问题。3DOF仿真表明:该方法具有很好的快速在线能力和末端精度,在TAEM窗口能量扰动±25%的范围内均能保证飞行器安全进入自动着陆窗口,末端速度偏差小于10 m/s,高度偏差小于350 m,横向偏差小于150 m。

一种考虑追踪器速度变化的最优导引律

从考虑追踪器速度的大小和方向变化以及目标速度变化方面入手 ,以最优控制理论和飞行力学原理为基础 ,推导出一种考虑追踪器速度变化的最优导引律—变系数比例导引律 ,同时给出一种计算剩余时间的新方法—剩余时间函数法。对要求垂直入射的情况 ,设计了满足入射角度要求的导引律。仿真结果表明 ,应用本文的导引律在制导过程中能量消耗少 ,制导精度高 ,脱靶量小 。

飞行器鲁棒最优末制导律的二阶滑模设计

针对传统最优末制导律鲁棒性能较弱、对参数摄动及外扰敏感的不足,考虑系统存在滑模控制非匹配性干扰及落角约束条件,提出一种基于二阶滑模的鲁棒最优末制导律设计方案。首先介绍高阶滑模控制的基本原理,然后利用Lyapunov稳定性理论分别就线性滑模面和终端滑模面设计二阶滑模鲁棒最优末制导律。基于Lyapunov的稳定性理论证明及仿真结果均表明了该末制导方案的有效性及鲁棒性。