临近空间动能拦截器中末制导问题研究

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近些年来,临近空间高超声速武器军备竞赛愈演愈烈。为应对高超声速武器威胁,维护我国的空天安全,本文立足于临近空间防御背景,以临近空间动能拦截器为研究对象,通过分析中末制导问题来设计拦截高超声速滑翔目标的复合制导律。主要工作如下:首先,本文基于前期建立描述动能拦截器运动的坐标系及转换关系对拦截器三自由度运动模型进行推导及分析。该模型包含动力学和控制模型、气动力模型以及质量模型等,其建立过程参考了美军的THAAD-ER拦截弹,同时考虑了地球椭球模型以满足拦截器长时间飞行的需求。在此基础上依据发射系下拦截器三自由度运动方程、调研的相关动力参数以及利用Missile Datacom软件估算的气动参数,对拦截器进行能力分析,为后续制导律的设计奠定基础。其次,本文设计了基于模型预测静态规划的中制导律。拦截器的中制导问题属于含有终端约束的两点边值问题。为解决这一问题,本文基于零控拦截流形解算中末交班条件,通过对剩余飞行时间的迭代修正使拦截器满足拦截时间约束,并运用模型预测静态规划算法实现对中制导轨迹的规划和控制量的更新。此外,考虑拦截器的执行机构,本文设计PWPF调制器,可将指令加速度转化为轨控发动机的脉冲指令。中制导的仿真校验考虑方法误差和工具误差,并以弹目零控脱靶量作为中制导算法性能的评价,仿真结果表明算法具备较强的修正能力、在线应用的潜质以及面对扰动时的鲁棒性。最后,本文设计了基于微分对策的拦截末制导律。基于中末交班形成的“迎面拦截”场景,本文将三维拦截末制导问题解耦到包含视线的铅垂平面和当地水平面内,推导了铅垂平面弹目线性相对运动方程。同时,为解决拦截器和目标组成的博弈问题,本文考虑弹目一阶动力学特性,引入零控脱靶量使末段拦截问题简化,利用微分对策理论推导出考虑能量和脱靶量的最优拦截末制导律,并依据线性二次扩张状态观测器(ESO)对未知目标机动信息进行估计。末制导仿真充分考虑目标博弈机动和非博弈机动两种情况,进行了多场景分析和蒙特卡洛打靶仿真,结果表明所设计末制导律不仅具有制导精度,还具备能量最优特性。
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