攻击时间和攻击角度控制的非奇异终端滑模制导律

为提高导弹的突防能力并增强毁伤效果,对导弹攻击时间和攻击角度控制问题进行了研究,以导弹和目标相对运动模型为基础,提出了一种非奇异滑模导引律.利用成型理论设计了以时间多项式描述的、同时满足攻击时间和攻击角度约束的导弹视线角表达式.采用优化方法确定表达式系数.由于非奇异终端滑模理论具有使滑模面能够在有限时间内快速收敛的特点,故利用该理论构造关于视线角误差的滑模面,设计了一种无奇点的攻击时间和攻击角度控制制导律.该制导律可使导弹的实际视线角按照设计的理想视线角变化,使导弹满足攻击时间和攻击角度的双重约束.通过理论分析,证明了该制导律满足Lyapunov稳定性条件,能够实现攻击时间和攻击角度控制且不存在奇点.在多种情形下对所设计制导律进行了数值仿真.仿真结果表明,采用该制导律可在不同条件下有效实现导弹的攻击时间与攻击角度控制,与现有文献相比具有一定优势,当存在一定程度的外界干扰时仍能完成攻击时间和攻击角度控制.     

一种有攻击角约束的三维有限时间导引律

为解决目标加速度信息未知且存在攻击角约束的三维末端制导问题,提出一种基于非线性观测器的有限时间导引律,使得弹目视线角可在有限时间内收敛至期望攻击角.首先,提出一类非线性观测器,利用导引系统中易测量的位置和速度等信息来估计目标加速度,理论分析给出了观测器稳定的充分条件;然后,利用目标加速度估计值,基于有限时间稳定理论和滑模变结构控制理论设计一种有限时间导引控制律,使三维末端导引系统的弹目视线角可以在有限时间内收敛到期望攻击角.通过分析观测误差对导引系统有限时间特性的影响,表明该方法满足工程实践需求;最后,分别对加速度为匀变速和变加速的两类变速目标进行了数值仿真,并与传统比例导引法进行了对比,仿真结果验证了所提方法的可行性与有效性.研究表明,利用非线性观测器可以稳定地估计目标加速度信息,进而利用该观测器给出的目标加速度信息设计滑模变结构有限时间三维导引律,利用该方法可以有效地解决三维末端制导过程中存在目标加速度信息未知且存在攻击角约束的难题.     

多约束导引控制一体化的自适应鲁棒滑模设计方法

在攻击机动目标的末制导段, 为使舰炮制导炮弹能够同时满足攻击角、视线角速率测量受限、执行器控制饱和等多项约束, 基于自适应鲁棒控制与动态面滑模设计了一种导引控制一体化设计方法. 首先, 在纵平面内, 建立了弹体的导引控制一体化设计模型. 然后, 设计扩张状态观测器迅速准确地估计出视线角速率与目标机动等未知干扰. 其次, 运用自适应指数趋近律设计了非奇异终端滑模, 以确保视线角跟踪误差与视线角速率在有限时间内收敛至零. 进而, 结合自适应鲁棒项构造动态面滑模与虚拟控制量用以镇定串级系统并削弱变结构项的抖振. 进一步地, 通过设计自适应Nussbaum增益函数, 较好地补偿了由舵机偏转受限引入的控制饱和非线性问题. 运用Lyapunov稳定性理论严谨地证明了终端视线角跟踪误差、视线角速率的有限时间收敛性, 以及系统的一致最终有界性. 仿真实验表明, 所提出的设计方法能够使舰炮制导炮弹在打击具有不同机动形式的目标时, 均具备较好的导引控制性能.     

具有落角约束的弹道导弹再入末制导律设计

针对弹道导弹再入段带有终端落角约束的末制导问题,本文基于最新发展起来的模型预测静态规划技术,设计一种既可以精确地打击地面目标、又可以满足终端碰撞角要求的非线性次优制导律．本文针对弹道导弹打击地面静止目标和机动目标等飞行场景进行了数值仿真,仿真结果表明:采用该制导律可以使在整个再入飞行场景中控制能量较小．与其他具有落角约束的制导律相比,该制导律并没有对非线性运动模型采用线性化的假设,且其计算复杂性明显低于基于最优控制的终端角约束制导律．     

具有角度和时间约束的导弹最优全弹道设计

文章针对导弹非线性运动学方程,基于变结构与最优控制原理,设计了具有角度和时间约束的导弹最优全弹道。初制导阶段利用变结构控制原理设计了纵向和侧向通道的控制,中制导阶段对导弹非线性运动学方程进行了变换,无需线性化处理,利用最优控制中的极小值原理解算设计出了在具有时间和角度约束情况下的制导律,该制导律可以将目标导引到预定位置并同时满足角度和时间约束,对于多弹齐射研究具有重要意义,末制导阶段将导弹和目标的速度投影到视线坐标系中,建立弹目相对运动模型,解算出弹目运动关系,采用改进的三维比例导引律进行制导。全弹道仿真结果表明,所设计的最优弹道在给定约束条件下,能够精确击中目标,满足性能指标要求。     

编队接近非合作目标PSO多脉冲制导方法

为解决地球静止轨道(GEO)非合作目标远距离自主接近中的双视线导航约束以及制导精度问题,提出了一种双星编队接近的粒子群优化(PSO)多脉冲制导方法,该方法将C-W双脉冲制导律转化为带中途修正的多脉冲制导律,然后将时间固定的多脉冲燃料消耗最优问题转化为带双视线夹角约束和制导精度约束的多目标优化问题,接着将带约束的多目标优化问题转化为PSO规划问题并给出规划算法.通过在不同条件下的对比仿真验证结果表明,该方法能够有效的完成对非合作目标远距离的制导.     

红外寻的制导空空导弹变结构比例导引律研究

经典的比例导引律不能满足近距格斗导弹大离轴发射和攻击高机动目标的要求。前人提出了多种解决此问题的制导规律,除需要目标视线角速度信息外,还需相对速度、目标加速度和剩余时间等信息,这在被动红外制导导弹上实现是十分困难的。本文以变结构控制理论为基础,给出一种只需目标视线角速度信息的新型制导律,实现了在目标机动的条件下、有限时间内目标视线角速度的零化,大幅度地改善了制导性能。仿真结果证实了设计方法的正确性。     

基于非线性Terminal滑模的动能拦截器末制导律设计

滑模制导律由于具有优越的性能而得到广泛关注,其设计的关键是滑模面的选取。传统的滑模变结构制导律通常都选择线性滑动平面,并保证系统到达该平面后跟踪误差渐近地收敛到零,在此过程中对收敛时间没有约束,因此不能满足快速性要求。针对这一问题,可以采用Terminal滑模控制策略,即在滑模面设计中引入非线性函数,使跟踪误差在有限时间内收敛到零。分析了一类非线性Terminal滑模面在应用中存在的问题,针对该问题设计了一种改进形式的非线性Terminal滑模面,并推导了系统从任意初始状态到达平衡状态所需时间的表达式。之后,针对动能拦截器末制导,基于改进方法设计了一种非线性Terminal滑模制导律,仿真结果表明,相对于传统的滑模制导律,所设计的制导律可以满足动能拦截的要求,不仅能够使系统状态在有限时间内收敛,而且脱靶量更小。     

带有双曲正切加权函数的落角约束最优制导律

为降低末制导律对初始状态误差的敏感度、提高导弹的末端抗干扰能力,针对带有落角约束的末制导问题,考虑基于双曲正切函数的一类加权函数,提出了一种基于间接Gauss伪谱法的最优末制导律. 首先,基于目标位置和期望落角建立了落角坐标系,并在该坐标系中建立了导引运动关系方程,得到了带有落角约束的末制导模型;然后,根据极小值原理推导出了用于求解最优制导律的两点边值问题,运用Gauss伪谱法进行离散,把两点边值微分方程转换为一系列代数方程;最后,通过显式求解代数方程快速得到了最优控制律,该方法避免了求解黎卡提微分方程,不需要进行繁琐的积分运算,计算量小. 所提制导律在推导过程中不依赖于加权函数的具体形式,可非常方便地处理复杂加权函数. 仿真结果表明:通过设计不同形式的加权函数,可灵活改变导弹运动轨迹及制导指令的分布,以实现不同的制导目标;所提方法能有效降低制导律对初始状态误差的敏感度,而且还可以提高导弹的末端抗干扰能力,在很大程度上提高了制导律的设计灵活性.     

拦截导弹自适应动态滑模制导

对于平面拦截问题,提出了一种具有强鲁棒自适应性的动态滑模制导律。将目标机动视为一类具有有界扰动的不确定因素,以视线法向上的相对运动速度及其导数构筑滑模切换面,并基于Lyapunov稳定性理论进行制导律的设计,由于采用了动态滑模的思想,有效降低了抖振的影响。理论分析与数字仿真表明该制导律具有优良的弹道特性,可对连续高机动目标进行有效拦截,同时控制结构相对简单,易于工程实现。     

机动目标的鲁棒几何法导引律仿真分析

基于机动目标,以空间微分几何和李雅普诺夫稳定性原理为基础,通过仿真分析鲁棒几何法导引律在追击不同机动目标时的弹道。在不同发射角下追击相同目标时,比较比例导引法和鲁棒几何法两种导引律的弹道特性。仿真结果表明鲁棒几何导引法具有以下优点:不需要额外的测量信息,兼具比例导引律的易执行性和微分几何制导律对视线旋转抑制的有效性。该制导律可以拦截大机动目标,且性能优于现有的变系数比例导引算法,同时拦截过程中过载曲线变化更为合理,弹道平直不需要得到目标精确的加速度和速度方位信息,对目标机动具有强的鲁棒性。     

纯比例导引律解析解与三维碰撞角约束制导

为提高空地导弹碰撞角约束制导的精度和鲁棒性,增强其对防空系统的突防能力和对目标的打击效果,基于纯比例导引律（pure proportional navigation,PPN）拦截固定目标的解析解,提出了一种新的三维碰撞角约束制导律（three-dimensional PPN-based impact-angle-control guidance law,3D-PPNIACG）。首先,基于PPN拦截固定目标解析解,分析了基于PPN的二维碰撞角约束制导律（two-dimensional PPN-based impact angle constraint guidance law,2D-PPNIACG）的拦截制导性能,包括最大过载、能量消耗与捕获区域。其次,基于2D-PPNIACG和三维拦截制导的垂直分解方法,结合对空间几何关系的深入分析,提出了控制铅垂面内落角和水平面内碰撞角的三维碰撞角约束制导律（3D-PPNIACG）,并对该制导律的实用性和鲁棒性进行了充分讨论。最后通过数值仿真,验证了3D-PPNIACG在碰撞角约束制导中的有效性和鲁棒性。研究和仿真结果表明,所提出的3D-PPNIACG结构简单、易于实现、鲁棒性好,在考虑测量误差、动力学响应延迟等现实因素的情况下,可有效实现水平面内的碰撞角约束制导和铅垂面内的落角约束制导,具有良好的应用前景。     

拦截高速运动目标广义相对偏置比例制导律

针对经典比例导引法在末制导阶段拦截高速运动目标时捕获域较小、无法有效利用导弹机动能力及难以实现碰撞角约束等问题,提出了一种广义相对偏置比例制导律。为扩大经典比例导引律的捕获域及提升其对导弹的机动利用能力,设计了一个时变导引系数,使所提制导方案可综合比例及反比例2种导引律的优势。为实现对高速运动目标的定向打击,引入了相对偏置比例,通过控制相对飞行轨迹角以实现对碰撞角的约束。为提升制导方案在拦截高速机动目标时的性能,在制导指令中对目标机动影响进行了补偿。数值仿真结果验证了该制导方案相比于经典的比例导引法具有更大的捕获域和过载利用度,以及较强的碰撞角约束能力。     

变轨迹制导律技术研究及发展动态

变轨迹制导律的设计是在现代空间飞行器、高超声速飞行器、导弹设计过程中的关键技术。将变轨迹制导律划分为带末端约束的末制导律及标称制导律,概述了2类变轨迹制导律的技术难点,对带末端碰撞约束角的末制导律、标称制导律的在线规划算法,以及标称制导律的轨迹跟踪方法进行了综述,并分析了其可能的研究方向。     

带落角约束的大机动目标末制导律研究

针对制导律要同时满足脱靶量和落角约束的要求,引入滑模变结构控制方法。由于变结构控制中存在切换函数和趋近律函数,存在开关函数的抖动问题。模糊逻辑控制具有较强的非线性逼近能力,利用模糊逻辑消除变结构控制中的开关项增益引起的抖动问题,给出带落角约束的模糊变结构末制导律,并通过仿真分析,验证制导律的正确性,末端制导的脱靶量和落角约束两个问题同时得到解决;得出不同的趋近律系数、角误差系数下的制导律特性曲线。将BP神经网络应用到针对大机动目标时模糊变结构制导律中,可解决落角约束的优化问题,保证模糊变结构末制导律能够满足约束条件并较好跟踪大机动目标。仿真结果表明,优化后的末制导律在性能上有明显提升。     

多无人机同时到达的standoff跟踪控制

为实现多无人机standoff目标跟踪与同时到达,提出了一种新的比例Lyapunov矢量场和基于τ耦合理论的协同速度控制器。首先,与其他的Lyapunov矢量场相比,比例Lyapunov矢量场中增加了一个可设置的参数,使得在跟踪过程中无人机能够在收敛速度和航向角速率限制之间取得平衡,最大限度的发挥无人机的性能;然后,通过进一步的理论分析得出参数越小,收敛速度越快,但是航向角速率越大。同时给出了在最大航向角速率限制下参数的选取方法,以保证获得较快的收敛速度。最后,为保证无人机能够从不同初始位置同时到达目标点,设计了基于τ耦合理论的协同速度控制律,该控制律不需要考虑实际的不规则飞行路径,只需要计算当前点到目标点的直线距离,避免了现有四维路径规划方法中路径积分复杂的问题,算法更加简单,更有利于工程实现。结果表明,通过数字仿真实例和硬件在环实验,验证了所提方法能够导引无人机同时到达目标点,并快速收敛到standoff半径,说明了该方法的有效性和优越性,且能够应用于工程实际。     

全捷联导引头制导信息滤波算法及仿真

全捷联导引头存在制导所需的视线角速度信号不能直接测量的问题,基于无迹施密特卡尔曼滤波器(unscented Schmidt-Kalman filter,USKF)提出了一种全捷联导引头的制导信息提取算法。USKF对增广状态中的参数向量不进行校正,避免了参数观测误差过大对于滤波器性能的影响。在目标机动及制导律有落角约束要求的条件下,对制导信息提取算法进行了仿真验证。仿真结果表明,USKF滤波器性能优于传统非线性滤波器EKF及UKF,能够更准确地给出制导律所需信息,为全捷联导引头方案提供了理论基础及工程应用参考。     

弹道导弹主动段拦截导引律研究

处于主动段的弹道导弹具有很大的纵向加速度,常规的制导律很容易因为提供的爬升能力不足,使拦截弹在拦截末端陷入尾追,而导致拦截失败,对此,文章分别设计了能够克服目标纵向加速度的中制导律和末制导律。在中制导律的设计中,首先采用了对基于零脱靶量的中制导律引入目标运动补偿项的方法,设计了一种中制导律,此外结合空基反导的特点,通过控制弹目相对高度差和相对偏航距离为零达到控制视线角速度的方法,设计了另一种中制导律。末制导律采用了滑模制导律,仿真结果表明文中所设计的制导律能够以很高的精度拦截目标。     

飞行时间约束下的再入制导律

为应对现代战场的信息化与集群化发展趋势,从多高超声速飞行器饱和打击任务需求出发,针对其中的再入飞行时间约束条件进行研究,提出一套基于Deep Q-learning Network(DQN)的时间可控再入制导律.该制导律工作流程为首先纵向轨迹预测-校正模块根据当前飞行状态和攻角-速度剖面规划出倾侧角幅值;然后在线约束强化管理模块对其进行安全限幅处理;最后倾侧角符号规划模块以调节再入飞行时间为目标,在对横向飞行状态进行马尔科夫决策过程建模的基础上,设计相应的深度神经网络进行离线训练以在线生成倾侧角符号,进而与幅值信息共同组成最终的倾侧角指令.多组仿真的对比分析结果表明:在标称环境下的多任务仿真中,时间可控再入制导律能够自主地进行倾侧角符号的在线规划,在不影响制导精度的前提下,对再入飞行时间进行调整以满足不同的任务需求;在参数拉偏的蒙特卡洛仿真中,其在保证再入飞行安全、稳定的同时,仍然能将时间误差控制在合理的范围之内.从而验证了相对于传统方法而言,本研究所设计的再入制导律在任务适应性、鲁棒性与时间可控性等方面均具有良好表现,能够有效地满足飞行时间约束下的再入任务需求.     

基于非线性收敛因子的Terminal滑模制导律设计

水下动能武器在末端时刻攻击目标具有作战范围小,时间短的特性。传统滑模变结构制导律通常选取线性滑动平面,收敛速度慢,对收敛时间没有约束,不能满足系统快速收敛到平衡状态。针对这一问题,提出一种改进的Terminal滑模变结构控制方法,通过引入非线性因子,使系统跟踪误差快速收敛到零,保证系统以期望的有限时间收敛到平衡状态。采用Terminal滑模面结合指数趋近律设计有限时间快速收敛制导律,该制导律即能满足系统快速性收敛要求,又能离线计算收敛时间。理论分析表明:所设计的制导律满足系统稳定性要求,并仿真验证了其快速收敛的有效性,较传统变结构制导方法收敛速度更快,具有更强的鲁棒性。