远程弹箭中末段精确制导技术研究

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随着现代战争模式的转变,适应高动态环境的“射程远、精度高、威力大、成本低、小型化、强抗干扰”的旋转弹箭备受重视。本文以采用旋转体制的远程制导弹箭为应用背景,围绕远程制导弹箭的制导控制技术,重点解决旋转状态下滚转姿态的准确获取,中末制导弹道平稳交接,旋转弹体非线性环节自适应控制方法,高精度、大落角高效打击制导技术等问题。本文建立了远程旋转复合精确制导弹箭的运动学和动力学的数学模型,对旋转弹道数学模型、弹体动态特性分析、随机风影响模型、制导控制系统模型等进行了深入研究。设计了三种基于MEMS IMU的滚转角提取算法,分别采用六加计、两加计一陀螺以及三陀螺方案,解决了高动态旋转弹的滚转角高精度获取问题。分析了地磁测姿的机理,研究了地磁测姿算法,进行了地磁测姿的相关试验,结果表明地磁测姿算法可以获取较高精度的旋转弹体姿态信息。针对组合导航系统中不同子滤波器系统测量信息精度不同的问题,提出了一种基于神经网络的适合于卫星/惯组/地磁组合导航系统的多源信息融合算法,采用基于BP神经网络的自适应信息融合联邦滤波器。试验结果表明,所提算法弥补了传统自适应算法的不足,具有较强抗干扰性,组合导航主要参数精度较高,具有广泛应用于工程实践的潜力。提出了一种基于终端滑模控制和扰动扩张观测器的旋转弹中末制导交接弹道设计方法,实现了远程弹箭中制导到交接段的光滑过渡,弹体姿态振荡幅度较小和末制导成功捕获。设计了充分考虑外界干扰与自动驾驶仪动力学影响的中制导律,并研究了该中制导律的终端非奇异性、补偿动力学滞后特性、抗外界干扰特性。针对中末制导平稳交接的要求,设计了一种最佳虚拟点的选取算法,结果表明该算法在保持弹体姿态稳定的同时,可以实现对目标的高精度捕获。对比分析了加入和不加入扰动观测器情况下,算法抵抗随机风干扰、卫星定位误差和测速误差的能力,结果表明设计算法明显减小了干扰源的不利影响,增强了系统的抗干扰能力。结果表明采用基于虚拟目标点的中末制导交接技术对于提高弹体稳定飞行性能有重要意义。提出了一种针对高动态旋转飞行器执行机构非线性环节的观测和控制技术。首先建立了执行机构失效通用模型,利用二阶滑模控制方法有限时间收敛的特性,设计了二阶滑模观测器来准确观测执行机构的效率,同时采用基于STW算法的自适应制导律进行设计和稳定性分析。结果表明,新型制导律有限时间内使弹目视线角速率收敛于零的性能优于FTCG制导律和ISSG制导律。在终端弹目视线坐标系下,提出了一种针对高阶次强时变对象的通用最优制导算法,为实现高精度、大落角高效攻击奠定基础。设计了一种能综合描述扩展角度控制最优制导律和扩展比例导引的通用形式,即广义最优制导律。研究了考虑无驾驶仪动力学滞后和一阶驾驶仪动力学的广义最优制导律闭环弹道、速度、加速度指令的解析表达式,以此为基础,推导得到了终端角度约束、方向初始误差等引起的终端角度误差和脱靶量的解析解并进行仿真验证,数学仿真与解析解吻合良好。
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