基于运动趋势信息和体视线约束的捷联解耦制导控制方法

It is an accepted fact that the integrated guidance and control design is an effective way to improve the integrative effectiveness of the missile guidance and control system. However, the fixed installing of the detector of the strap-down seeker and the missile body under the strap-down guidance system highlights the problem of the body-fixed line-of-sight (BLOS) angle limit while intercepting the maneuvering target of the atmosphere. On the premise of BLOS angle limit, firstly, the novel non-peak strap-down decoupling kinematics is studied based on the motion trend information and the time-variant gain disturb observer method, which may effectively deal with the problem of BLOS angle limit brought by the decoupling information peak and the problems of low decoupling accuracy and poor dynamic performance brought by the low cost inertial component. Secondly, the mathematical model for integrated guidance and control design with BLOS angle limit is derived considering the strap-down decoupling kinematics, from which a class MIMO nonlinear system with unmatched uncertainty is abstracted. The adaptive control method of such a MIMO nonlinear system with partial states constrained is studied based on which the integrated guidance and control design with MIMO angle limit is further solved for the first time. It is worth pointed that the work developed in this project will provide theoretical and technical support for reaching the full potential of low cost strap-down guided weapon and promote the development of the state constraint control theory at the same time.

导引与控制一体化设计是提高制导控制系统综合性能的有效手段。全捷联制导体制下导引头探测器与弹体的固联使得应对大气层内机动目标时体视线约束问题凸显。本项目以体视线约束为前提，首先基于一类运动趋势信息和时变增益干扰观测方法开展新型无尖峰捷联解耦方法及其运动学特性研究，有效解决由于解耦信息尖峰引起的体视线角超限问题以及低成本惯性器件带来的解耦精度差、动态低的问题；其次考虑捷联解耦运动学建立体视线角约束下的三通道导引与控制一体化设计模型，并将其抽象为一类典型的MIMO非匹配不确定非线性系统，研究部分状态约束下的自适应控制方法，将所得结果用于首次解决体视线约束下的导引与控制一体化设计问题。本申请的研究成果将为充分发挥低成本捷联制导武器潜能提供理论和技术支撑，同时也能够促进状态约束控制理论的发展。

本项目针对全捷联探测体制特有的体视线约束问题，从动力学趋势辅助的全捷联解耦方法和考虑导引头视场约束、通道耦合及输入饱和等多约束下的制导控制一体化设计两方面开展研究工作，取得了以下成果：1）结合全捷联解耦模型、弹目相对运动模型和飞行器控制系统模型，建立了考虑视场角约束的全捷联导引与控制一体化全耦合设计模型；2）基于采用运动趋势信息提高系统动态及精度的思想，结合非线性干扰观测，提出了基于角度解耦的视线角速率估计算法和基于角速度解耦的视线角速率估计算法，一定程度上解决低成本惯性器件使用导致的捷联解耦动态差、精度低等问题；3）针对全捷联被动探测下的目标估计问题，设计了三维空间运动跟踪制导律，提出了动力学辅助的基于工具辅助变量的改进伪线性卡尔曼滤波方法，实现全捷联探测下的被动目标估计；4）基于干扰观测器、积分型障碍Lyapunov函数提出了几种二维场景下的全捷联飞行器导引与控制一体化设计方法，包括基于神经网络的IGC设计方法、基于干扰观测器的IGC设计方法以及不依赖于动态面控制的滑模设计方法等；5）充分考虑三通道的耦合关系，提出了三维场景下全捷联飞行器导引与控制一体化的全状态耦合设计方法，实现体视线角约束条件下对运动目标的精确打击；6）提出了同时考虑体视线角和饱和输入非线性的全捷联导引与控制一体化设计方法；7）针对全捷联飞行器的工程研制需求，设计了新型全捷联飞行器制导控制双转台半实物仿真系统及实验方案，完成了相关的仿真验证。仿真结果表明了所提导引与控制一体化算法的有效性。经过3年时间的研究，已经按照预定计划完成全部研究内容，取得了丰富的成果，已经发表论文34篇，申请发明专利7项，授权2项，完成了项目申请时的计划任务。体视线角的状态约束和制导信息提取目前是制约全捷联制导武器对机动目标精确打击的瓶颈，本项目的研究成果是全捷联飞行器制导控制领域的最新发展，可以为导引与控制一体化设计方法的工程实用化提供理论支撑。