基于旋量方法的高超声速飞行器三维非线性伪最优制导律设计

针对高超声速飞行器制导过程中的通道耦合问题,设计一种基于旋量方法的三维非线性伪最优制导律。引入角度矢量、视线旋量、视线旋量速度等概念,通过等价性证明,得出视线旋量、视线旋量速度控制分别与视线方位、视线角速度控制具有一致性的结论,从而将制导问题转化为视线旋量和旋量速度的控制问题;基于旋量方法构建弹目视线旋量、视线旋量速度模型,构建得到飞行器制导的三维非线性模型;为避免直接求解Riccati微分方程过程的复杂性,引入伪控制变量,将三维非线性制导模型转化为线性制导模型;分别针对无终端约束和有终端约束情况,基于二次型最优方法得到三维非线性伪最优制导律。该制导律避免了通道解耦,其制导参数又满足一定物理意义下的最优性。仿真结果验证了所设计制导律的有效性。     

BTT导弹制导律研究综述

与STT导弹相比,BTT导弹在气动效率、机动能力、控制性能等方面具有明显优势,但其运动耦合特性也给传统研究框架下的制导律设计带来了挑战。本文针对BTT导弹制导律设计问题展开研究,首先描述了BTT导弹制导基本问题,分析了BTT导弹制导律设计的技术难点,需要综合考虑运动耦合、多约束、目标机动、弹体动态效应等因素,然后综述了国内外现代制导律设计的基本方法,将其分为双通道解耦法、球坐标法、现代几何法等,最后指出了BTT导弹制导律的进一步研究方向。     

一种多约束条件下高超声速导弹对地攻击的三维最优变结构制导律

针对高超声速空地导弹多约束高精度末制导的基本需求,在三维解耦的俯仰平面和转弯平面上分别设计制导律。在综合考虑脱靶量、落角、入射角等多种约束条件后,运用最优控制构造的最优制导律设计了一种三维最优变结构制导律,接着利用梯度自适应下降法和T-S模型改进了速度约束控制。最后通过典型弹道的结果显示该制导律能够满足多约束高精度制导的需要,具有良好的弹道性能。     

采用运动伪装理论的冲压动力导弹制导律

在视线旋转坐标系内设计制导律是一种不通过双平面解耦处理三维制导问题的途径。针对高速机动目标的三维末制导拦截问题,基于运动伪装理论的运动伪装条件,在视线瞬时旋转坐标系内推导出一种适用于冲压动力导弹的运动伪装制导律。动力学仿真结果表明,与经典比例导引律相比,该制导律在考虑冲压动力导弹最大可用攻角、侧滑角及余气系数限制下,可以有效降低导引头的视线转速率及命中点需用过载,具有良好的制导特性。     

一种适用于拦截高速目标的末段导引律

基于在视线坐标系中的导弹-目标相对运动模型,以控制导弹-目标视线角速度趋于零为基本思想,设计了一种末制导律,用于拦截高超声速目标。以脱靶量和能量消耗为约束条件,以目标无机动时有很好的性能为目的,首先设计了最优制导律;然后,基于滑模控制理论,选择合适的滑模趋近律,对所设计的最优制导律进行改进得到最优滑模制导律;用李雅普诺夫理论证明了该制导律的稳定性,分析了该制导律参数选择条件。仿真结果表明,与最优制导律相比,所设计的制导律对目标机动有较强的鲁棒性,能以直接碰撞的方式拦截高超声速目标。     

导弹BTT协调控制及参数设计方法

在导弹采用面对称构型或采用冲压发动机的情况下,倾斜转弯(BTT)方式能实现大过载和优化的发动机性能。针对采用BTT转弯方式带来的三通道耦合问题,提出解耦及参数的解析设计方法。首先对导弹动力学模型中的耦合因素进行分析,针对各耦合因素提出协调控制方法实现解耦,并针对解耦方法提出相关参数的解析设计方法。该方法能实现三通道的解耦,从而实现对制导指令的精确跟踪。数值仿真结果表明了该方法的有效性。     

零控脱靶量有限时间收敛制导律

针对高速机动目标的拦截问题,研究了一种考虑导弹自动驾驶仪动态特性的零控脱靶量有限时间收敛制导律。对导弹-目标三维相对运动几何关系进行解耦,并考虑导弹的自动驾驶仪动态特性,推导了一种新型三维零控脱靶量模型;在此基础上,基于自适应滑模控制理论和有限时间稳定性理论,选取俯仰平面和偏航平面的零控脱靶量为滑模面,设计了零控脱靶量有限时间收敛三维自适应滑模制导律;对该制导律的稳定性和有限时间收敛特性进行了分析和证明。仿真结果表明,与比例制导律相比,所设计的制导律可使导弹的零控脱靶量在有限时间内收敛到零,且具有更高的制导精度。     

带攻击角约束的抗饱和固定时间收敛制导律

针对传统固定时间终端滑模制导方法在末制导中存在的奇异性、收敛速度慢以及加速度受约束问题,提出一种考虑攻击角、加速度约束的快速非奇异固定时间滑模制导律。利用终端滑模方法,构造快速收敛的新型非奇异终端滑模面,保证视线角、视线角速率在满足加速度约束的同时,能够在给定的固定时间内快速收敛至期望值,收敛时间上界独立于系统的初始状态。通过构造趋近律来设计新型固定时间制导律,并利用Lyapunov稳定性理论,对所设计的制导律进行理论分析与证明。最后通过仿真,验证了所设计制导律与其他固定时间收敛制导律相比,具有较快的收敛速度。     

带三维落角约束的寻的导弹制导与姿控系统设计

针对带三维落角约束的寻的导弹制导与姿态控制系统设计问题,提出一种基于终端滑模控制和扩张状态观测器的六自由度制导控制系统设计方法。建立包含模型不确定项的寻的导弹六自由度质心与绕质心模型,设计内外双层环路六自由度制导控制系统框架;基于弹-目三维相对运动模型和坐标系转移矩阵建立以攻角和侧滑角为输入的三维全耦合导引方程,利用终端滑模控制方法和扩展状态观测器得到期望的攻角和侧滑角并将其转化为对应的俯仰、偏航和滚转角指令;根据线性形式的寻的导弹绕质心动力学方程,设计与俯仰、偏航和滚转角相关的滑模面向量,并利用终端滑模控制方法和扩张状态观测器得到寻的导弹的副翼偏角、方向舵偏角和俯仰舵偏角指令。六自由度数值仿真结果验证了该方法的有效性和鲁棒性,并证明了该制导控制系统设计方法能以较少的控制设计参数完成预设的制导控制任务。     

导弹最优制导律弹道仿真分析

根据导弹仿真数据,绘制可直观显示弹道特性的理想弹道曲线。给出了比例导引法的差分方程,建立了比例导引法的三维弹道仿真模型。在对比例导引法进行三维弹道仿真的基础上,分别对增量比例导引、基于二次型的最优制导律和考虑动态特性的二次型最优制导律进行了三维弹道仿真,绘制出了可直观显示弹道特性的理想弹道,计算了导弹与目标的遭遇时间,并对结果进行了比较分析。最后得出考虑弹体动态特性的二次型最优制导律具有最优性。