全捷联制导弹药制导控制技术研究

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论文以全捷联制导弹药制导控制技术需求为依托,重点研究了全捷联导引头隔离度对导弹制导性能的影响、隔离度在线辨识与抑制技术、制导信息估计技术以及制导控制一体化设计等方面的内容。首先通过分析导弹飞行过程中受到的力和力矩,建立了导弹六自由度动力学和运动学模型,基于CFD流体力学仿真软件进行了导弹气动力计算与分析,为全捷联制导弹药总体及制导与控制系统方案设计提供了模型依据与数据支撑。系统性地分析全捷联导引头隔离度产生机理,研究了导引头与角速率陀螺刻度尺误差、动力学不一致以及弹体弹性振动引起的隔离度对导弹制导性能的影响。针对隔离度产生机理,研究了隔离度寄生回路稳定性,隔离度作用下制导系统稳定性,分别引入初始速度指向误差、导引头零位噪声以及导引头角噪声等三种误差源,利用伴随函数法对隔离度作用下的制导系统脱靶量进行分析,分析结果为全捷联制导弹药制导控制系统关键指标的选取提供了理论参考依据。结果表明,制导系统稳定区域大小与导引头隔离度的反馈形式、隔离度水平以及制导系统相关参数取值密切相关;隔离度会使制导系统提前失稳,最终降低导弹制导精度;与空空/防空导弹相比攻击地面目标的全捷联制导弹药对隔离度的要求较为宽松;抑制隔离度对制导系统的影响是全捷联导引头工程应用中亟待突破的关键技术。目前工程实践中常用的器件选型、工艺控制、指标偏置或地面标定等方法难以实现对隔离度的有效抑制,为了降低隔离度对制导系统的影响,系统性地研究了全捷联导引头隔离度在线辨识与抑制技术。针对传感器刻度尺误差引起的隔离度,设计了基于无迹卡尔曼滤波(UKF)的隔离度在线辨识与抑制算法;利用匹配滤波算法对由传感器动力学不一致引起的隔离度进行了抑制;分析了弹体弹性振动引起的隔离度,设计了基于频率在线辨识算法结合自适应陷波滤波器的抑制策略。结果表明,采用上述算法能够有效抑制全捷联导引头隔离度对制导系统的影响,提高制导精度。其次,针对全捷联图像导引头无法直接测量得到惯性系下的视线角速率问题,设计了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的制导信息估计算法。推导了理想条件下视线角速率的解耦算法;基于扩展卡尔曼滤波方程,建立了全捷联图像制导体制下的制导信息估计模型,并结合单兵便携式制导弹药的作战使用模式,通过蒙特卡洛打靶进行了精度分析;通过半实物仿真实验对制导系统的闭环可行性进行了验证。研究结果表明,全捷联图像导引头结合制导信息估计算法的技术途径具有较高工程应用价值。最后,基于无限时间LQR理论设计了制导控制一体化算法。采用扰动技术推导了一种计算量较小的导弹制导控制系统非线性次优控制算法,并将制导控制一体化设计与传统独立设计方法进行了仿真对比分析。结果表明,基于最优控制理论设计的制导控制一体化算法可以保证导弹在飞行过程中的稳定性,且对气动参数不确定性具有较好的鲁棒性;与传统设计方法相比具有脱靶量更小、控制能量分配更均匀、导弹飞行稳定性更高的优势。
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