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基于深度强化学习的约束末制导律研究

基于深度强化学习的约束末制导律研究

作者：郑成辰四川大学

学位级别：硕士

随着现代战争防御体系和反导技术的不断升级,导弹制导律也面临着新的挑战。在空中作战态势瞬息万变的情况下,传统导引律的制导性能已经无法满足现代空战高精度、高灵活性、高适应性的作战要求。因此,如何根据战场环境和任务目标高效、... 详细信息

随着现代战争防御体系和反导技术的不断升级,导弹制导律也面临着新的挑战。在空中作战态势瞬息万变的情况下,传统导引律的制导性能已经无法满足现代空战高精度、高灵活性、高适应性的作战要求。因此,如何根据战场环境和任务目标高效、准确地生成制导策略成为了当前制导律设计领域的重要研究课题。传统比例导引律在面对角度约束、时间约束等受限条件下的制导问题愈显乏力,而最优制导律在理论上可以解决约束条件下的制导问题,但其形式过于复杂,同时依赖对弹目相对状态的精准感知,在实际作战环境中难以直接应用。近年来深度强化学习技术在决策与控制领域展现出了巨大的优势。相比传统的模型预测控制方法,不依赖于对环境模型的准确分析,通过调取训练后的模型即可快速做出当前态势下的最优决策,适应于解决空空导弹在复杂环境中的制导问题。本文以二维水平空域和三维空域中的空空导弹末制导问题为应用背景,针对两种不同约束条件下的导弹制导任务,基于强化学习中的近端策略优化算法提出了两种偏置比例导引律,拓展了比例导引律的适用范围。主要工作内容如下:(1)针对传统比例导引律无法精准控制导弹末端拦截角的问题,本文基于近端策略优化算法搭建深度强化学习制导模型,通过对模型的训练实现了从弹目相对态势到导弹过载量的映射。首先,针对三维空域中的空空导弹拦截机动目标任务的训练要求,建立以过载为控制量的导弹和无人机运动模型。其次,为加快模型的收敛速度,提出一种基于碰撞点预测的剩余飞行时间估计算法作为状态向量输入神经网络模型。最后,通过仿真对比实验验证了所提出模型的有效性。(2)针对传统比例导引律无法完成多弹时间一致性约束制导的问题,本文利用强化学习算法提出一种多弹时间一致性协同制导方法。首先,根据任务需求,建立二维空域下多弹协同打击的作战环境。其次,提出一种基于皮尔逊相关系数的时间一致性评估方法,作为模型的奖励函数对协同制导结果进行评估。最后,与分布式协同制导律进行仿真对比实验,实验结果证明所提出模型能够解决时间约束下的多弹协同制导问题,且在控制精度与打击效率上也超越了传统方法。(3)针对现有制导仿真环境无法满足导弹制导律研究的需要,设计并开发智能制导仿真系统,利用Rai Sim仿真引擎实现导弹和无人机的状态转移方程,设计导弹制导相关的控制接口,能够支持不同约束条件下的制导任务的训练与验证,为智能制导律的研究提供了关键的仿真支持。首先,根据仿真系统的需求设计开发相应的功能模块。其次,实现智能体与仿真环境的通信交互,提供智能体训练和验证的基础条件。最后,通过仿真可视化界面展示三维空域中所提出算法控制下的导弹飞行轨迹,验证本文所提出的两种偏置制导律的有效性,也同时证明该仿真系统能够支持智能制导律的研究。

关键词：深度强化学习空空导弹比例导引律偏置比例导引律

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多弹动态网络建模与协同制导方法研究

多弹动态网络建模与协同制导方法研究

作者：杨保建南昌航空大学

学位级别：硕士

随着现代战争中导弹防御系统的不断完善,对单枚导弹突防能力的要求越来越高。以网络为中心的多弹协同作战可及时获取战场形势,并进行态势重构,多弹能在同一时间从不同方向对目标进行协同末制导打击,完成单枚导弹不能完成的战术任务。因... 详细信息

随着现代战争中导弹防御系统的不断完善,对单枚导弹突防能力的要求越来越高。以网络为中心的多弹协同作战可及时获取战场形势,并进行态势重构,多弹能在同一时间从不同方向对目标进行协同末制导打击,完成单枚导弹不能完成的战术任务。因此对多弹协同控制的研究具有军事意义。为了解决作战环境中多弹编队协同攻击目标问题,针对多弹的动态网络和协同制导方面进行研究,主要研究工作包括以下几方面内容:1.在对目前导弹作战网络建模方法和国内外研究现状全面分析的基础上,讨论了现有的导弹系统动态网络主要包含的要素,利用基于图论的网络分析方法,将导弹作为网络节点,建立了导弹网络模型,包括网络故障模型和抗毁性模型,并对导弹网络通信拓扑的连通性进行分析,根据导弹网络的连通情况进一步对多弹的飞行状态进行分析。2.对导弹和目标的运动模型及单枚导弹的比例导引律进行分析,利用四阶经典龙格-库塔法,对不同比例系数下的二维弹道进行了数值仿真,得到了比例系数越大弹道就越弯曲,系数越小弹道就越平直的结论,为多弹协同制导律的设计提供依据。对于多弹协同制导方法研究,通过在传统比例导引律的基础上添加时间的修正项,来对协同制导方法进行改进,通过仿真试验,可以满足多弹导引时间的协同。3.以多枚导弹协同攻击航母为背景,在导弹网络不完全连通和恢复网络连通后的两种情况下,对导弹的协调状态进行数值仿真,仿真结果验证了网络恢复后导弹能协调一致。在两种网络情况下,对6枚导弹末制导协同进行仿真,仿真结果表明不完全连通的情况下导弹协同时间未能满足要求;恢复网络连通后,导弹方向角趋于一致,导弹和目标距离逐渐减小,且期望导引时间与导引时间的差距逐渐减小,验证了协同制导方法的可行性与有效性。

关键词：导弹网络建模末制导协同攻击比例导引律

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空空导弹制导与控制问题研究

空空导弹制导与控制问题研究

作者：张研哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

作为导弹系统的核心组成部分，制导控制系统决定了导弹的性能。本文以中远程空空导弹的末段拦截过程为背景，设计了满足导弹性能指标要求的制导控制系统。论文完成的主要工作如下：空空导弹动力学建模与分析。介绍了文中用到的坐标系及... 详细信息

作为导弹系统的核心组成部分，制导控制系统决定了导弹的性能。本文以中远程空空导弹的末段拦截过程为背景，设计了满足导弹性能指标要求的制导控制系统。论文完成的主要工作如下：空空导弹动力学建模与分析。介绍了文中用到的坐标系及其转换关系并建立了导弹的六自由度运动模型，对导弹的弹道特性和弹体特性进行了分析，验证了所设计导弹总体参数的合理性，为本文后续工作奠定了基础。空空导弹末制导律设计。针对空空导弹具有攻击高机动目标的特点，设计了引入视线角加速度补偿的修正比例导引律和针对不确定因素具有强鲁棒性的变结构导引律。仿真结果表明，修正比例导引律能够较快的跟踪目标机动加速度，变结构导引律的指令过载变化平稳且幅值较小，两种导引律针对高机动目标均能获得较理想的制导效果，具有一定的工程应用价值。空空导弹自抗扰控制器设计。针对空空导弹控制系统模型具有非线性、强耦合以及模型不确定性等特点，利用自抗扰技术为空空导弹设计了具有强鲁棒性的控制器，并采用扩张状态观测器来对系统扰动进行实时估计和补偿。仿真结果表明所设计的控制器具有良好的控制精度和动态品质。空空导弹制导与控制一体化控制器设计。建立了导弹制导与控制一体化全状态耦合模型，该模型将弹目相对运动信息与导弹舵偏角直接联系起来，将目标加速度等不确定信息视为系统的有界不确定性，并且设计了一体化反演控制器。仿真结果表明与传统的制导系统与控制系统分开设计相比，制导与控制一体化设计更具优势，一体化设计时导弹的需用过载小于传统设计，并且在接近目标时不会出现状态失稳现象，保证了导弹在飞行过程中的可靠性与稳定性，更适合攻击高机动目标。

关键词：空空导弹制导控制系统比例导引律变结构导引律自抗扰姿态控制制导与控制一体化设计

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强化学习在导弹机动突防中的应用研究

强化学习在导弹机动突防中的应用研究

作者：侯林健国防科技大学

学位级别：硕士

弹道导弹作为中远程目标打击的主导武器,提高弹道导弹的突防能力对于未来战争至关重要。随着物联网、大数据和人工智能等技术的不断发展,让弹道导弹自主智能地实现威胁规避以提高突防概率成为了当前机动突防研究的一大热点。本文以中段... 详细信息

弹道导弹作为中远程目标打击的主导武器,提高弹道导弹的突防能力对于未来战争至关重要。随着物联网、大数据和人工智能等技术的不断发展,让弹道导弹自主智能地实现威胁规避以提高突防概率成为了当前机动突防研究的一大热点。本文以中段弹道导弹与拦截弹的突防对抗为研究背景,提出运用强化学习理论来提高导弹的突防能力。本文首先介绍了强化学习的基本理论和方法,对强化学习的折扣因子进行分析,并提出以递增的折扣因子代替固定的折扣因子,接着基于强化学习中的深度Q网络(DQN)和近端策略优化(PPO)两种算法建立突防控制模型,验证深度强化学习在机动突防问题中的适用性。具体研究内容如下:(1)提出强化学习的递增折扣因子方法。对折扣因子的基本原理进行了分析研究,介绍了近几年关于弹性折扣的研究情况;接着提出递增的折扣因子,并对弹性折扣的收敛情况进行分析与推导;最后基于Gym环境库对递增折扣因子的性能表现进行仿真验证。(2)基于强化学习算法DQN和PPO建立机动突防控制模型。首先基于导弹与拦截弹的突防拦截场景,通过设计状态和动作空间、奖励函数搭建突防环境模型;接着在Tensorflow框架下搭建深度强化学习DQN算法,在垂直与视线方向的平面环境模型中训练DQN智能体,分析DQN算法在场景中的适用性及收敛情况;然后在Tensorflow框架中搭建PPO算法,并在三维空间的环境模型下训练PPO智能体,实现了中段突防控制模型的逼近,同时分析比较两种算法适用突防控制的优劣。(3)构建突防仿真系统并实施基于PPO控制的导弹与TPN制导拦截弹的突防对抗。考虑环境误差及时间延迟等因素构建导弹与拦截弹在三维空间中的突防仿真系统,在突防仿真系统中使用PPO智能弹与TPN制导拦截弹进行突防拦截仿真,并通过改变拦截弹的导引系数实施多次仿真,结果表明基于PPO突防控制的导弹对TPN制导的拦截弹具有良好的突防能力。

关键词：弹道导弹强化学习突防比例导引律 DQN PPO

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空空导弹越肩发射制导控制系统设计

空空导弹越肩发射制导控制系统设计

作者：李红超哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

越肩发射技术作为一种新型火控方式,目前正受到各国越来越多的关注。本文研究BTT空空导弹越肩发射制导控制系统设计问题。研究内容主要包括越肩发射程序转弯段优化分析和设计,转弯段姿态控制系统设计以及BTT比例导引律的分析。首... 详细信息

越肩发射技术作为一种新型火控方式,目前正受到各国越来越多的关注。本文研究BTT空空导弹越肩发射制导控制系统设计问题。研究内容主要包括越肩发射程序转弯段优化分析和设计,转弯段姿态控制系统设计以及BTT比例导引律的分析。首先,建立了BTT空空导弹的数学模型,在此基础上得到了系统的姿态控制模型,并结合具体数据对弹体气动特性进行了分析。其次,基于高斯伪谱方法对越肩发射程序转弯段进行了优化分析并对转弯指令进行了设计。在建立优化问题数学模型时,忽略了姿态控制系统的特性,得到了简化的转弯段运动模型,并将最大转弯角度作为优化问题性能指标。分析了助推火箭发动机推力、发动机总冲、导弹转弯高度等因素对转弯能力的影响,并结合优化分析的结果,对转弯指令进行了设计。然后,基于SDRE方法对越肩发射转弯段姿态控制系统进行了设计。在非线性姿态控制模型基础上,推导了俯仰通道和横侧通道的SDC模型,然后分别设计了气动力控制子系统和反作用射流控制子系统。最后,对BTT空空导弹比例导引律进行了深入分析。结合BTT控制的特点,推导了极坐标系下的弹目相对运动方程,建立了BTT导弹制导控制系统的数学模型,在此基础上对BTT比例导引律进行了分析。理论和仿真分析结果表明,比例导引律下BTT导弹制导回路滚动通道在接近末制导终端时刻存在着失稳现象。

关键词：越肩发射倾斜转弯高斯伪谱方法复合控制比例导引律

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一种新型自适应RBF神经网络滑模制导律

智能系统学报 2009年第4期4卷 339-344页

作者：章钱李士勇哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001

针对导弹拦截问题,提出一种自适应RBF神经网络滑模制导律.首先根据准平行接近原理和变结构控制理论设计滑模面,然后将滑模面作为RBF神经网络的输入变量,输出量即为导弹的加速度.为了使得导弹系统能够到达滑模面,采用自适应算法实时在线... 详细信息

针对导弹拦截问题,提出一种自适应RBF神经网络滑模制导律.首先根据准平行接近原理和变结构控制理论设计滑模面,然后将滑模面作为RBF神经网络的输入变量,输出量即为导弹的加速度.为了使得导弹系统能够到达滑模面,采用自适应算法实时在线调整RBF神经网络的连接权值.该导引律将目标机动视为干扰量,在拦截过程中不需要测量目标加速度,因此该导引律对目标机动具有较强的鲁棒性.在执行上,只用到了视线角速率,因而实现简单.仿真结果表明,所提出的导引律和比例导引相比在脱靶量、拦截时间等方面有了很大的提高.

关键词：自适应控制 RBF神经网络导弹拦截滑模控制比例导引律

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空空导弹卡尔曼滤波和几种导引律的研究

航空兵器 1999年第4期6卷 17-24页

作者：沈亮韩军杰郭军强航空工业总公司第○一四中心洛阳471009

建立了空空导弹攻击飞机目标的简化数学模型,在这个模型的基础上,列出系统的状态方程、测量方程,推导出最佳导引律和卡尔曼滤波算法,并进行了数学仿真,得到了满意的结果。

关键词：比例导引律最佳导引律卡尔曼滤波空空导弹

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大气层外自旋拦截器末制导控制研究

上海航天 2016年第3期33卷 67-73页

作者：周新耀李仁俊上海机电工程研究所上海201109

对大气层外自旋拦截器的末制导控制进行了研究。考虑变质量后质心位置变化产生的扰动力矩对拦截器姿态的干扰,以及弹体自旋运动对直接力分量的影响,建立了拦截器运动模型和相对运动方程。基于现有的脉冲发动机,根据理论所需冲量确定脉... 详细信息

对大气层外自旋拦截器的末制导控制进行了研究。考虑变质量后质心位置变化产生的扰动力矩对拦截器姿态的干扰,以及弹体自旋运动对直接力分量的影响,建立了拦截器运动模型和相对运动方程。基于现有的脉冲发动机,根据理论所需冲量确定脉冲发动机数和相应的最佳布局,以及等效控制力大小与方向。用衰减记忆滤波算法提取高精度视线转率,选用比例导引律,相对距离变化率采用近似计算,设定视线转率门限避免发动机点火过于频繁。设计了包括脉冲发动机点火策略的算法,可在满足脱靶量要求前提下最大限度减少脉冲发动机消耗和对导弹姿态角的影响。仿真结果表明:该法能有效实现大气层外自旋拦截器在末制导段的精确制导控制。

关键词：自旋拦截器末制导控制总冲量脉冲发动机数和布局等效控制力衰减记忆滤波视线转率比例导引律点火策略

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空空导弹末端控制滑模导引律研究

航空兵器 2005年第2期12卷 3-6页

作者：王湛贾晓洪闫杰西北工业大学航天学院西安710072 中国空空导弹研究院河南洛阳471009

针对现代空战中目标大机动条件下, 末端控制(ENDGAME)段导弹和目标间的相对运动, 结合滑模控制理论设计了工程上易于实现的滑模制导律, 并进行了仿真计算。最终仿真结果证明了滑模导引律比传统的比例导引律在ENDGAME中对目标机动有更好... 详细信息

针对现代空战中目标大机动条件下, 末端控制(ENDGAME)段导弹和目标间的相对运动, 结合滑模控制理论设计了工程上易于实现的滑模制导律, 并进行了仿真计算。最终仿真结果证明了滑模导引律比传统的比例导引律在ENDGAME中对目标机动有更好的制导性能。

关键词：末端控制空空导弹比例导引律相对运动理论设计滑模控制仿真计算制导性能目标机动仿真结果制导律