对抗强博弈机动目标过载饱和约束最优滑模制导律研究

For the purpose of intercepting supersonic targets with strong game maneuvers in near space, in this research project, we will design a terminal guidance law for an interceptor missile in the case where the missile’s acceleration does not have a significant advantage over the target’s acceleration. In this design we must consider the influence of missile acceleration saturation on the stability and performance of the guidance system and try to minimize the consumption of the fuel of the interceptor missile. With the applications of optimal control method and sliding-mode control method with input saturation constraint, and optimal sliding-mode control method into the design, we will propose some systematic methodologies for designing optimal robust guidance laws with acceleration saturation constraint and analyzing the properties, such as the convergence with finite time, of the guidance systems under the guidance laws. For example, an optimal guidance law with acceleration constraint will be designed for intercepting targets with strong game maneuvers; an optimal sliding-mode guidance law will be designed via integrating an optimal reaching law with an optimal sliding-mode and a method for analyzing the finite time convergence of the guidance law will be proposed; and an optimal sliding-mode guidance law with acceleration constraint and the analysis method of its property of finite time convergence will be proposed. The optimal sliding-mode guidance law with acceleration constraint will be integrated with a pulse width modulation method of on-off translation thrusters such that it will be applied into a practical simulation of the guidance and control process of an interceptor missile accurately intercepting supersonic targets with strong game maneuvers in near space. The research results of this project will provide a critical technique for the design of guidance and control system of a practical interceptor missile in near space.

本项目以拦截临近空间具有强博弈能力的高超声速机动目标为背景，在拦截器过载能力相对目标过载不占明显优势的情况下，考虑过载饱和对制导系统稳定性和性能的影响，兼顾最小燃料问题，应用控制量受限的最优控制理论和滑模控制理论，以及最优滑模控制理论，提出过载饱和约束下最优鲁棒制导律设计和有限时间收敛性理论分析方法，提出强博弈情况下拦截高速机动目标的过载饱和约束最优制导律、最优滑模面与最优趋近律相结合的最优滑模制导律及其有限时间收敛性分析方法，以及过载饱和约束最优滑模制导律及其有限时间收敛性分析方法。将所设计的过载饱和约束最优滑模制导律与开关式轨控发动机脉冲调宽控制方法相结合，应用于符合工程实际的反临近空间高超声速机动目标拦截器制导控制系统仿真中，满足高精度拦截临近空间高超声速强博弈机动目标的要求，为突破反临近空间高超声速机动目标拦截器制导控制系统设计关键技术奠定坚实的理论基础。

本项目以拦截临近空间强博弈高超声速机动目标为背景，在拦截器过载相对目标过载不占明显优势的情况下，考虑过载饱和对制导系统稳定性和性能的影响, 研究了制导律设计新方法、目标状态精确估计新方法，以及高性能新型飞行控制方法。.关于强博弈制导律设计问题, 引入目标加速度预测信息，提出了考虑预测零控脱靶量的最优滑模制导律。针对目标加速度在有限时间内接近甚至超过导弹法向加速度的问题，提出了一种新的饱和超扭转算法，并在此基础上得到一种新的饱和超扭转滑模制导律。提出了基于扩张状态观测器或目标跟踪滤波器的有限时间收敛非奇异滑模制导律，可对目标机动和估计误差进行补偿，保证了制导系统的鲁棒性和快速性。还提出了控制量饱和受限非奇异滑模制导律与滞环开关制导律相组合的制导策略，可提高临近空间拦截器的末制导性能，降低燃料消耗。.在强博弈制导律研究中，还提出了一种基于覆盖策略的拦截强博弈机动目标的多导弹协同制导方法，实现了对目标加速度能力的覆盖。提出了一种估计比例导引律下导弹剩余飞行时间的闭环解析方法, 对机动目标和静止目标都适用。还提出了一种综合多体间相对运动信息的协作避障制导律。.关于目标状态估计问题，提出了针对临近空间高超声速飞行器的专用机动模型，可对该目标进行高精度估计和预测。提出了高速机动目标多模型滤波方法，提高了目标机动突变情况下的跟踪效果。在强冲击干扰背景下，将冲击干扰模型加入制导系统模型中，利用卡尔曼滤波算法同时估计制导系统状态和冲击干扰状态，提高了视线角速率估计的精度。提出了一种可同时估计雷达导引头天线罩斜率误差和视线角速率的方法。.为了提升飞行器控制性能，提出了基于新型控制理论的姿态控制律设计方法。.将过载饱和约束最优滑模制导律、临近空间高超声速机动目标精确跟踪及预报方法，以及新飞行控制方法应用于符合工程实际的反临近空间高超声速机动目标拦截导弹制导控制系统仿真中，终端脱靶量满足直接碰撞强博弈目标要求。