基于微分对策理论的拦截导弹末段制导律研究

摘要

拦截导弹是导弹防御系统的核心子系统，高精度寻的制导技术是拦截导弹实现对目标成功拦截的关键技术之一。提高拦截导弹成功拦截目标概率的途径主要有两种：(1)改进拦截导弹的导航、制导和控制系统，从而提高拦截导弹的单发命中概率；(2)采用多枚拦截导弹拦截单个目标，提高对目标的毁伤几率。本文以改进拦截导弹末制导精度、提高成功拦截目标概率为主线，结合微分对策理论，系统研究了拦截导弹末段寻的制导策略，主要对拦截导弹末段飞行速度及最大过载的时变特性、弹目几何关系的非线性、自动驾驶仪的高阶动力学、复合控制拦截导弹的直接力系统等对制导性能的影响进行了研究分析，同时对两枚拦截导弹协同拦截单个目标的问题进行了初步研究。本文主要的研究内容和取得的成果如下：
　　边界型微分对策制导律通过类似“棒–棒”策略实现了较大的捕获区，但对能量消耗较大；二次型微分对策制导律消耗能量最小，但由于初始时制导增益较小，其实现的捕获区也较小。结合两种制导律各自的特点，本文提出了边界二次型微分对策制导律，融合了边界型微分对策制导律大捕获区和二次型微分对策制导律能量消耗小的优点。
　　分析了拦截导弹在大气层内铅垂平面对目标进行拦截时，速度和最大过载的时变特性，在此基础上建立了时变微分对策制导律，并基于对策空间分解，研究了线性型和阶跃型加速度边界的时变特性对制导性能的影响，理论分析得到拦截导弹在趋近于与目标碰撞时需要更大的侧向过载。仿真分析验证了理论结论，并表明时变微分对策制导律具有很好的鲁棒性。
　　针对末段拦截时弹目几何关系的非线性，建立了非线性微分对策制导律和零脱靶量拦截条件，并基于此，对在迎击、阻击和追击三种不同的初始拦截几何关系下实现成功拦截的容许初始航向误差进行了数值分析研究，结果显示减小相对速度有利于降低中制导和末制导的交接班条件，而拦截导弹具有速度优势时，从侧面攻击目标可以容许较大的初始航向误差。
　　通过假设拦截导弹的侧向加速度响应具有二阶动力学特性，建立了二阶边界型微分对策制导律。基于对策解进行了对策空间分解，获得了一种具有三个奇异区的新型对策空间结构，并建立了具有多个奇异区的对策空间结构存在的一般条件。在对策解和对策空间分解的基础上建立了奇异区和捕获区的存在条件，理论结果给出提高拦截导弹末制导性能的三种途径：提高拦截导弹的过载能力、增加拦截导弹自动驾驶仪带宽和在允许范围内减小拦截导弹自动驾驶仪的阻尼比。通过仿真研究验证了理论结果的正确性和该制导律性能的优越性。
　　针对采用气动力和直接力复合控制的拦截导弹，提出了复合控制微分对策制导律，从制导系统层面实现对过载指令在直接力通道和气动力通道之间的分配。同时，建立了复合控制拦截导弹捕获区存在的条件，并在此基础上研究分析了过载型和力矩型两种直接力系统的推力大小和燃料约束对制导性能的影响，给出了直接力系统的最小燃料需求。通过仿真研究验证了理论结果的正确性。
　　对于两枚拦截导弹拦截单个目标的问题，提出了信息共享模式下的双视线测量相对导航算法，并建立了状态估计增强协同制导律用于改善双视线测量相对导航系统的状态估计精度，仿真研究验证了导航算法和协同制导律的有效性。对于低敏捷拦截导弹拦截高敏捷目标问题，采用扩展的边界型微分对策模型，提出了基于对策空间分解的协同制导策略，理论结果显示在协同模式下，奇异区增加，脱靶量明显减小。同时，对于一般的协同拦截问题，建立了协同线性二次型微分对策制导律，基于信息协同条件下的仿真分析验证了该制导律的优越性。
　　本文的研究考虑了多种不同情况下制导律设计问题和拦截导弹参数对制导性能的影响，涉及导航滤波算法、制导律设计、捕获区分析等问题，并对协同拦截问题进行初步探索，从不同方面为提高拦截导弹末制导精度提出了多种解决思路，具有一定的理论意义。

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第1章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 拦截弹末段制导律研究状况综述

1.3 多弹协同拦截

1.4 本文主要研究内容

第2章 拦截导弹末段制导问题数学模型

2.1 引言

2.2 基本坐标系及坐标变换

2.3 动力学及相对运动学模型

2.4 平面内线性化对策模型

2.5 本章小结

第3章 改进型微分对策制导律

3.1 引言

3.2 边界二次型微分对策制导律

3.3 时变速度和加速度边界微分对策制导律

3.4 非线性微分对策制导律

3.5 本章小结

第4章 自动驾驶仪二阶特性对制导性能影响分析

4.1 引言

4.2 对策模型

4.3 对策空间结构

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

第5章 复合控制对制导性能影响分析

5.1 引言

5.2 对策模型及对策解

5.3 捕获区存在性

5.4 直接力系统对制导性能影响分析

5.5 仿真分析

5.6 本章小结

第6章 多弹信息共享及协同制导策略

6.1 引言

6.2 双视线相对导航及状态估计增强制导律

6.3 拦截敏捷目标协同制导策略

6.4 线性二次型协同微分对策

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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