拦截机动目标的制导律研究

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拦截机动目标是拦截制导控制领域的核心研究内容之一。制导控制是实现精确拦截机动目标的关键。对制导控制的研究可以分为三个层次:几何规律、制导律、控制。其中,几何规律是拦截制导的基础,制导律是实现几何规律的反馈算法,控制是特定对象实现制导律的手段。几何规律和制导律具有普适性,控制则具有针对性。论文主要对拦截机动目标的几何规律和制导律进行深入研究。  依据空间几何学与运动学规律,统一和完善了三维拦截制导的降维方法,简化了三维制导律设计与分析的难度。首先,严格推导了视线旋转坐标系内的三维相对运动方程,并对其奇异性问题进行了分析,提出了解决方案;其次,统一和完善了在弹目瞬时交会平面内构建二维制导律,以实现三维拦截的“降维方法”;然后,以比例导引律(PN)为例,对该方法的有效性进行了理论分析与仿真验证。该方法可有效降低三维制导律设计与分析的难度和复杂度。  基于降维方法和类李雅普诺夫理论,分析了真比例导引律(TPN)和纯比例导引律(PPN)的制导特性,得到了显式的捕获区域和过载对抗需求。PN是应用最广泛的经典制导律。其中,TPN的指令加速度垂直于视线,适用于大气层外拦截;PPN的指令加速度垂直于导弹速度,适用于大气层内拦截。论文基于降维方法和类李雅普诺夫方法,分别对三维TPN和PPN拦截任意机动目标的制导性能进行了深入研究,得到了两种PN对任意机动目标的捕获区域(捕获条件)、对准偏差控制能力、视线转率上限与指令加速度上限等结果。论文的研究结果更准确且更具有普适性,对实际拦截弹制导控制系统的设计具有一定的指导意义。  从拦截几何关系入手,基于古典微分几何曲线理论,推导了三维微分几何制导指令(DGGC)的显示表达式,分析了适用范围和拦截机动目标制导性能。古典微分几何曲线理论是研究空间曲线的数学工具,提供了分析拦截制导问题的新思路。DGGC是应用古典微分几何曲线理论研究拦截制导问题的一种新成果。论文基于古典微分几何曲线理论在三维拦截制导问题中的应用方法,推导了三维DGGC的显示表达式,分析了DGGC相对于PN具有性能优越性的适用范围,然后基于降维方法和类李雅普诺夫方法,对三维DG GC拦截任意机动目标的制导性能进行了深入分析,得到了捕获条件、对准偏差控制能力、视线转率上限与指令加速度上限等结果。  引入目标机动加速度上限估计信息,在TPN和PPN的基础上,分别提出了两种可有效应对机动目标的自适应滑模制导律。设计拦截机动目标制导律的一种有效方法是在PN的基础上引入目标机动加速度的特征信息。滑模制导律是其中一种比较有前景的方式。首先,基于有限时间收敛控制理论,对一种由TPN项、变结构控制项、有限时间收敛项组合而成的有限时间收敛滑模制导律(EXO-FTSMG)进行了深入研究;其次,改进了一种目标机动加速度上限的自适应估计器,将其引入EXO-FTSMG,得到了可以保证视线转率渐进收敛至0的自适应滑模制导律(EXO-ASMG);再次,将该自适应估计器引入一种指令加速度垂直于导弹速度(与PPN类似)的有限时间收敛滑模制导律(ENDO-FTSMG),得到了可以保证滑模变量渐进收敛到滑模面的自适应滑模制导律(ENDO-ASMG)。与PN相比,ASMG降低了对指令过载的需求,且所需测量量较容易获得,具有一定的实用性。  为了验证论文的理论分析结果,结合现实拦截场景中影响脱靶量的主要因素,基于MATLAB&Simulink设计了拦截制导仿真系统,分别在大气层外拦截和大气层内拦截两种场景下,对论文所研究的制导律——三维TPN、三维PPN、三维DGGC、两种ASMG拦截机动目标的制导性能进行了仿真对比分析。仿真结果验证了论文所提出理论的正确性。
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