多约束条件下全捷联制导空地导弹弹道方案研究

针对全捷联空地导弹视场小、过载能力有限,对攻击目标具有一定角度约束的问题,提出了一种分段制导方案。该方案将攻击弹道分为滑翔段、落角约束段、截获调整段、末制导段和盲区段。滑翔段增加射程,落角约束段提前实现终端落角可控,截获调整段调整弹体姿态,使目标进入导引头视场区域内,为导引头截获目标创造条件,末制导段采用比例导引、姿态追踪的复合制导策略,以同时满足视场约束和精确打击要求。仿真结果表明,采用该弹道分段规划方案可以解决多约束下全捷联空地导弹攻击地面时敏目标的工程化应用问题。     

超远程火炮弹药的无控及滑翔弹道优化研究

研究并揭示超远程炮弹无控段及滑翔段的弹道特性.建立无控弹道数学模型和大气数学模型,研究初始射角和发动机点火时间的双参数寻优以及弹道下落段最佳起始滑翔点的确定,建立弹道滑翔段最优控制数学模型,研究最优滑翔弹道.超远程弹弹道无控段采用初始射角和发动机点火时间的双参数寻优使无控射程最远,弹道下滑段根据弹道高度确定最佳起始滑翔点,通过将变终值时间的双边界值最优控制问题转化为方便求解的固定终值时间的优化问题,提出求解超远程弹最优滑翔弹道实际工程问题的有效方法.     

高斯方程优化的电磁发射系统设计

针对电磁发射系统快速拟合弹道和准确制导问题,利用少量初始数据对制导弹道进行拟合,确定所需参数和特征点,并考虑抖振误差对系统性能的影响,建立高斯方程对制导弹道进行优化,使炮弹在弹道终点以大弹着角命中目标。制作以STM32F429型控制芯片为核心的电磁智能发射系统并进行效果测试,表明高斯优化方程在提高电磁发射系统的准确性和稳定性方面有明显效果,并要综合考虑优化时的发射抖振问题。     

侧窗探测自适应制导研究

为增强配置侧窗导引头的导弹的探测和跟踪目标的能力,在比例导引的基础上提出了一种随导弹速度前置角变化的自适应比例导引,随后在自适应比例导引的基础上通过引入目标加速度补偿项得到了一种针对目标机动的自适应增广比例导引,通过研究这两种制导律的脱靶量和导弹速度前置角范围,得到了侧窗探测条件下制导律的适用范围,最后基于导引弹道仿真与传统比例导引和平行接近法进行了仿真比较。仿真结果表明,侧窗探测条件下自适应比例导引和自适应增广比例导引有效且适用范围更广。     

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.     

升力式再入飞行器全程三维自主制导方法

为增强升力式再入飞行器任务的灵活性,减少射前准备,实现快速发射和精确打击,研究一种升力式再入飞行器全程三维自主制导方法.首先,再入段制导提出通过再入走廊上下边界内插得到阻力加速度剖面,倾侧角采用两次反转的设计方法,通过调节阻力加速度剖面的内插值系数和倾侧角的反转点来满足约束和精度的要求;然后,下压段仅依靠飞行器当前信息和目标点位置采用比例导引的形式来设计导引律,并通过对导引系数的实时更新实现以一定的弹道倾角对目标的精度打击;最后通过对再入段和下压段衔接点处控制指令的平滑过渡,得到全程三维自主制导方法.蒙特卡洛打靶仿真结果表明,该制导方法能够导引飞行器在满足再入约束的情况下以规定的弹道倾角对目标实施精确打击,其中打击偏差小于10 m,弹道倾角偏差小于1.3°.     

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。     

弹载捷联惯性导航系统算法及仿真

为了提高制导炮弹对目标的命中概率和毁伤概率,根据末制导炮弹的射程近、飞行时间短的特点,建立简化的捷联惯性导航模型.在等效旋转矢量四元数更新算法基础上,采用优化三子样算法建立捷联惯性导航仿真平台,并通过模拟飞行轨迹和实测弹体飞行数据对系统进行仿真验证.仿真结果表明,采用的算法解算精度明显高于四元数毕卡求解法,同时对弹体飞行的18.95 s时间内实测数据求解姿态的最大理论误差达到10-6数量级,满足实时性和精度要求,同时减小了方向漂移对制导炮弹精度的影响.     

大着地角最优制导律离散设计方法

为了解决卫星制导炮弹的制导问题,进行了考虑着地角、脱靶量和控制能量等多约束条件的最优制导律设计.在制导炮弹的制导阶段,弹目运动学模型是时变的系统,最优制导律的设计涉及到困难的变参数微分方程解析求解.通过离散计算方法来解决该问题,首先将运动状态方程组离散化,然后推导了各离散时间点最优制导律的递推公式,并通过取均值得到各时间段上常系数的制导律,以减少计算量.该方法降低了带多约束条件最优制导律的设计难度,同时具有较广泛的适用范围.利用设计所得制导律,进行了制导炮弹六自由度全弹道仿真,并同使用比例导引律的计算进行了比较.结果显示,着地角增加了108%,制导精度提高了246%.     

载人登月软着陆中手动控制制导方案研究

针对载人登月软着陆的接近段和着陆段,研究手动控制重新选址方案。首先引入了载人登月阶段划分,建立了登月舱动力学模型,然后对电视制导和舷窗制导2种手动控制选址方案进行了比较。电视制导方案中,宇航员能够直接在视场内选择新的着月点,并由自动控制系统实现对目标的制导;传统的舷窗制导要求宇航员全程参与控制,主要约束包括手动控制的延迟以及舷窗的视线范围,并且每次手动调节量有限。对2种制导方案的仿真结果表明,电视制导由于不受视线角约束,着月点可调整范围大于舷窗制导。同时电视制导对姿态机动的要求更高。并且宇航员重新选址操作进行得越早,着月点可调整范围越大。     

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.     

Extended trajectory shaping guidance law considering a first-order autopilot lag

To satisfy the terminal position and impact angel constraints, an optimal guidance problem was discussed for homing missiles. For a stationary or a slowly moving target on the ground, an extended trajectory shaping guidance law considering a first-order autopilot lag (ETSGL-CFAL) was proposed. To derive the ETSGL-CFAL, a time-to-go-nth power weighted objection function was adopted and three different derivation methods were demonstrated while the Schwartz inequality method was mainly demonstrated. The performance of the ETSGL-CFAL and the ETSGL guidance laws was compared through simulation. Simulation results show that although a first-order autopilot is introduced into the ETSGL-CFAL guidance system, the position miss distance and terminal impact angle error induced by the impact angle is zero for different guidance time.     

Homing Guidance Law with Falling Angle and Flying Time Control

In this paper, a new homing guidance method is used to control the flying time and falling angle for guided missiles. Through this approach, it finds the approximate solution to the quadratic equation of time-to- go, which is used for the formula derivation of the flying time control command. In this guidance law design, the acceleration rate control command is adopted. The guidance law is composed of a PN guidance command and a flying time control command. Firstly, it obtains a desired falling angle with accurate guidance. Secondly, it introduces to satisfy the constraint of flying time. The flying time control requires an assumption on the future evolution of missile, which is called time-to-go. To cope with the time-varying speed of missiles, a method of compensating the estimation of time-to-go is presented. The new guidance law is evaluated by using a simulation of typical terminal guidance for rocket-propelled torpedo. The simulation results show that the guidance achieves excellent control performance and exhibits insensitivity to initial trajectory parameter over a widen flight envelope.     

变信赖域序列凸规划RLV再入轨迹在线重构

针对可重复使用运载器（RLV）的再入轨迹重构问题,提出一种基于变信赖域序列凸规划的RLV再入轨迹快速求解方法. 首先,通过离散化及对非凸约束的线性化处理,将RLV的非凸轨迹优化问题转换为凸优化问题,然后通过序列凸规划方法对凸优化问题进行求解. 在序列凸规划求解过程的初始迭代中,采用预测校正算法对初值猜测轨迹进行设计,确定轨迹求解的终端时间;在后续迭代过程中,设计基于优化性能指标的信赖域更新策略,提升算法的收敛性能. 在轨迹快速求解方法的基础上,考虑RLV再入过程中可能发生的突发事件,如实际轨迹大幅度偏离参考轨迹或目标点变更,基于变化的初值约束及终端约束在线重构轨迹,并结合重构轨迹和LQR（Linear quadratic regulator）方法设计再入制导律实现对重构轨迹的有效跟踪. 最后,将此设计方法与Gauss伪谱法及传统序列凸规划算法进行仿真对比验证. 仿真结果表明:变信赖域序列凸规划方法相较于伪谱法和传统的序列凸规划方法在轨迹求解实时性及收敛性方面有较大的提升,具备应用于轨迹在线重构的能力,此外,所提出的轨迹在线重构方法具备良好的鲁棒性以及抗扰性.     

改进人工势场法的冗余机械臂避障算法

针对传统人工势场法应用于串联型冗余机械臂避障时无法约束各关节位姿、陷入局部极小后难以逃离的问题,提出一种改进人工势场法.建立冗余机械臂运动学模型,采用线段球体包络盒模型进行碰撞检测.在笛卡尔空间内建立末端引力势场和障碍物斥力势场,在关节空间内建立目标角度引力势场,所有势场共同作用引导机械臂运动.在关节空间内求解虚拟目标角度并采用高斯函数建立虚拟引力势场处理局部极小问题.利用七自由度冗余机械臂进行仿真和实验,结果表明:算法可约束各关节位姿,陷入局部极小后可引导机械臂逃离局部极小,最终完成避障;避障结束时各关节角度最大误差为0.8°,末端平均位置误差和平均姿态误差分别为0.010 m和2.40°,均小于传统算法;避障过程中各关节运动幅度小于传统算法.改进算法可引导机械臂逃离局部极小并完成避障,同时提高避障结束时各关节及末端的定位精度,对冗余机械臂的避障研究及应用具有一定的指导意义.     

升力式再入飞行器多约束多阶段弹道优化设计

结合再入飞行器实际任务需要,以升力式再入飞行器机动突防弹道优化设计为研究目的,给出了多约束多阶段弹道优化模型,研究了弹道优化数值解法理论,将该多约束多阶段优化问题的多个阶段弹道优化模型统一于1个优化算法;采用直接法＋序列二次规划法解该优化问题,得到了满足相应约束的再入机动突防弹道.仿真结果表明,采用该方法能够进行升力式...     

Coverage-based cooperative target acquisition for hypersonic interceptions

This paper presents a novel coverage-based cooperative target acquisition algorithm for hypersonic interceptions. Firstly, the difficulties in the hypersonic trajectory prediction are introduced which invalidate the conventionally used predicted impact point based mid-course guidance and seeker acquisition. Secondly, in order to optimally estimate and predict the target trajectory information, the interacting multiple model (IMM) algorithm is used with the constant velocity (CV) model, the constant acceleration (CA) model and the Singer model serving as the model set. The target states are described with the probability density function (PDF) based on the IMM prediction. Thirdly, the interceptor seeker target acquisition model is established which considers the blur edge region of the field of view. The cooperative target acquisition algorithm is designed by maximizing the interceptor seekers cooperative coverage of the target high probability region (HPR). Finally, digital simulations prove the effectiveness of the proposed method and reveal that the real challenge in the hypersonic target acquisition is the poor trajectory prediction accuracy which may further result to the unsteadiness of the interceptor trajectories.     

Three-dimensional suboptimal guidance law for fly-over and shoot-down smart ammunition via virtual target

An optimal burst height is required for the fly-over and shoot-down smart ammunition with an EFP warhead at the instant of explosion which brings a special requirement to the miss distance of the terminal guidance law.In this paper,aguidance law based on the virtual target scheme is proposed.First,the practical pursuit-evasion issue between the ammunition and the target with specific miss distance is transformed into a virtual pursuit-evasion problem with zero miss distance.Secondly,a complete three-dimensional pursuit-evasion kinematics model is established without any simplifications.And then,a suboptimal guidance law is designed based on theθ-D method which has constraints of the elevation and azimuth angular velocity of the virtual line of sight(LOS).Finally,in order to verify the performance of the proposed guidance law,three test cases are conducted.Numerical results show that under the proposed terminal guidance law,the smart ammunition not only can fly above the target with an optimal burst height but also have a smaller normal acceleration on the terminal trajectory.     

高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化

为提高高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化问题求解速度和精度,提出了一种将改进的麻雀智能优化同参数化设计相结合的再入轨迹方法。首先,通过Tent混沌映射和精英反向种群方法初始化种群,利用黄金正弦策略进行种群的位置更新,并通过余弦策略减少侦察者数量,采用贪婪策略对种群的最优解进行选择和更新,在增强算法全局搜索能力的同时,不影响收敛速度。然后,将高超声速再入轨迹优化问题转化为攻角剖面和倾侧角剖面的参数化设计问题,将路径约束转化为阻力加速度再入飞行走廊,保证再入过程中始终满足路径约束,利用罚函数法处理终端约束,从而使得飞行器精确命中目标。最后,采用改进的麻雀智能优化算法对设计参数进行寻优,使得目标函数最优。仿真实验表明：本研究所提出的改进麻雀算法相较于原始麻雀算法、鲸鱼算法和粒子群算法收敛速度快,得到的高超声速滑翔飞行器再入轨迹精度有了进一步的提高;蒙特卡洛仿真实验说明,本研究所提出的高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化算法具有一定的鲁棒性。