基于滑模控制理论的主动防御协同突防制导律研究

作     者：王昌平 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：彭冬亮;方峰

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0804[工学-仪器科学与技术] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 0811[工学-控制科学与工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：主动防御 滑模控制 协同制导 时空协同 多智能体一致性 状态观测器 

摘      要：随着导弹防御技术的快速发展,包括释放诱饵、多弹头、电子干扰、弹头机动变轨等传统导弹突防措施面临巨大挑战,为了提高己方高价值飞行器突防能力,研究导弹主动防御突防技术具有十分重要的意义。主动防御就是通过发射防御弹去打击来袭拦截弹从而保护己方高价值目标的策略。与此同时,为了进一步提高主动防御突防成功率,在防御弹满足精确的反拦截脱靶量的同时,需要对防御弹的终端反拦截角度、时间等进行约束,以满足协同角度和时间打击需求。本文以主动防御协同突防为背景,建立了目标弹、防御弹和来袭拦截弹的非线性相对运动数学模型,同时考虑了来袭拦截弹机动信息未知的问题,应用滑模控制理论,研究主动防御场景下具有终端时空约束的协同突防制导方法,提升了主动防御的突防性能。本文主要的研究内容如下:(1)针对具有终端碰撞角约束的主动防御问题,在非线性运动学模型的基础上,考虑来袭拦截弹制导信息未知,基于滑模控制理论研究了具有终端约束的协同制导律设计问题。通过引入全局快速收敛的滑模趋近律和新型固定时间收敛的非奇异终端滑模面,推导了能够快速收敛的带终端拦截角约束的主动防御滑模制导律。此外,考虑将拦截弹未知机动作为系统扰动,通过构造扩张状态观测器来对其进行估计,并将估计值作为补偿反馈到滑模制导律。仿真结果表明,带有终端拦截角约束的主动防御滑模制导律,能够有效提高滑模收敛速度,达到期望的终端拦截角约束和零脱靶量约束。(2)针对主动防御突防过程中对来袭拦截弹状态信息的可观测性问题,通过增大目标弹-拦截弹和防御弹-拦截弹之间的视线角差值从而降低量测误差,增强探测信息的可观测度,将可观测问题转化为视线角约束问题,采用滑模控制理论和最优化理论,考虑目标弹和防御弹之间的单向协同和双向协同配合模式,分别提出了满足增强探测信息可观测的目标弹-防御弹协同制导律。在单向协同配合模式下,目标弹采取独立机动,基于双幂次趋近律和带状态反馈的指数型趋近律,建立了防御弹的滑模制导律。在双向协同配合模式下,基于单向协同制导律基础,引入目标弹-防御弹加速度加权和的目标函数,应用最优控制理论,推导了双向协同制导律。大量仿真结果表明所提出的主动防御滑模单/双向协同制导律可确保目标弹和防御弹达到期望的空间构型,以保持对来袭拦截弹目标探测信息的较强可观测性,同时能够精准地打击来袭拦截弹。(3)针对三维场景下多防御弹协同打击来袭拦截弹的主动防御问题,提出了一种满足终端时空约束的三维协同突防制导律。考虑防御弹-来袭拦截弹的时间协同和终端拦截角度协同,分别在防御弹-来袭拦截弹的视线方向和视线法向方向上推导了相应的制导律。在视线方向上,基于多智能体一致性理论推导了时间协同制导律,使各防御弹能够同时命中来袭拦截弹。在视线法向方向上,基于有限时间的滑模控制方法,推导了满足终端拦截角约束的空间协同制导律。此外,应用状态观测器对来袭拦截弹加速度扰动进行估计,降低了三维协同制导律的抖振现象。大量仿真结果表明所提出的三维协同制导律可确保各防御弹在同一时刻以不同的终端拦截角命中目标。