基于有限时间和滑模理论的导引律及多导弹协同制导研究

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伴随着导弹技术的迅猛发展和导弹在空间战略中地位的日益提高,为了更好地掌握战场的主动权,研究先进的自动寻的导弹导引律是一项具有重要战略意义和深远应用前景的任务。本文以战术导弹拦截机动的弹道导弹为背景,研究了具有攻击角约束和动态延迟特性以及外部扰动的导引律设计,多导弹编队飞行控制以及调整攻击时间和角度约束的多导弹协同制导问题。为了使导弹的战斗部发挥最大效能,取得最佳毁伤效果,在导引律的设计过程中,脱靶量已不是唯一的技术指标。在许多复杂的战场环境下还需要对制导末端的攻击角度进行约束。针对二维平面内导弹拦截机动目标的制导问题,将期望的末端攻击角约束转化为期望视线角约束,进行滑模导引律设计。首先,分别选取渐近收敛和有限时间收敛的滑模面,当导弹自动驾驶仪为理想情况时,应用有限时间收敛的非齐次干扰观测器对系统中的目标扰动进行跟踪估计,设计了两种具有攻击角约束的滑模导引律。然后,选取非奇异终端滑模面结合快速幂次趋近律,设计了具有攻击角约束的自适应滑模导引律。最后,通过仿真验证了所设计不同形式导引律的有效性和可行性。在导弹攻击目标的制导过程中,导弹自动驾驶仪的动态延迟特性是影响制导精度的一个主要因素。为避免导弹动态延迟特性造成的制导精度下降,将导弹动态延迟特性近似为一阶惯性环节,直接建立具有动态延迟特性的制导系统模型。首先,在该系统模型的基础上,基于有限时间控制理论,分别应用扩张状态观测器和非齐次干扰观测器方法来估计制导系统中的目标机动加速度,通过状态反馈补偿系统中的总扰动,设计有限时间收敛的导引律。其次,选取包含期望视线角和视线角速率的线性滑模面,结合快速幂次趋近律和滑模变量动态法,应用非齐次干扰观测器在有限时间内估计系统中的总扰动,进而设计了两种滑模导引律。再次,选取非奇异终端滑模面,设计了自适应非线性滑模导引律。最后,通过仿真验证了所设计的导引律具有优良的制导性能。由于分数阶滑模具有分数阶微积分和滑模理论的双重优点,将其应用到导引律设计中。选取分数阶线性滑模面和分数阶终端滑模面,综合考虑制导系统中导弹具有攻击角约束、动态延迟以及外部扰动的情况下,分别设计了渐近稳定和有限时间收敛的分数阶滑模导引律。并与相应的传统滑模导引律进行仿真对比,验证了所设计导引律的良好鲁棒性。多枚导弹同时从不同方位攻击目标,增大了突防和击毁目标的能力。在导弹协同攻击过程中,为了合理有效地利用地形信息形成有掩护的攻击或规避,需要实时根据地形和目标信息设计编队队形控制律。针对导弹编队飞行系统,考虑导弹飞行过程中,气流、强风等外界扰动的影响,提出了鲁棒自适应导弹编队协同控制策略,并进一步设计了导弹队形控制算法,并考虑导弹之间在通信过程中发生通信时滞的情况,通过Lyapunov稳定性分析给出了系统渐近稳定所需要的条件。在前期对具有攻击角约束的导引律的研究基础上,根据导弹制导过程中弹目距离逐渐趋于零的事实,设计了一条期望的弹目曲线,基于先调整攻击时间后调整角度的原则,设计了多导弹协同导引律。
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