一种飞行器速度限制条件下时间和角度约束三维制导方法技术

本发明专利技术公开的一种飞行器速度限制条件下时间和角度约束三维制导方法，属于飞行器精确制导领域。本发明专利技术实现方法为：在三维空间建立矢量模型，运用四元数理论和空间矢量制导模型实现空间比例导引的攻击角度预测，选取相应性能指标将对误差的控制问题转化为最优问题进行求解，通过调节预测的最终飞行器速度方向和期望的攻击角度方向之间的误差，实现攻击角度控制。在攻击角度约束制导律下，弹道形状和长度与飞行器速度变化无关。将攻击时间约束问题转化为剩余轨迹长度控制问题，在飞行器速度限制下通过轴向加速度控制实现剩余轨迹长度的控制。通过攻击角度约束制导律和轴向推力控制制导律相结合，实现飞行器速度限制的条件下攻击角度和时间约束制导。击角度和时间约束制导。击角度和时间约束制导。

【技术实现步骤摘要】
一种飞行器速度限制条件下时间和角度约束三维制导方法


[0001]本专利技术属于飞行器精确制导领域，涉及一种三维空间内考虑飞行器速度限制能够实现以期望攻击角度在期望攻击时间到达指定位置的制导方法。

技术介绍

[0002]飞行器制导技术是航空航天技术的重要组成部分。如何将飞行器从空间内的某一初始状态自动控制导引至指定的期望状态便是一种典型的制导问题。随着战场局势的发展，制导任务的需求越来越多样化、复杂化。在现代武器制导问题中，不仅需要考虑脱靶量，还需要考虑多种约束。为了提高对装甲或深埋地下的硬目标的侵彻能力，需要以指定攻击角度命中目标的薄弱部位。攻击角度控制制导技术可以在不提升作战平台成本的情况下大幅提升武器作战效能，具有重要的现实意义。以实现齐射饱和攻击为目的的攻击时间控制技术近年来引起了广泛关注，饱和攻击可通过多枚飞行器在初始时刻指定共同攻击时间并在发射后进行攻击时间控制实现。带有攻击时间约束的制导问题在近几年被广泛研究，以饱和攻击为目的的攻击时间协同则是目前协同制导的常见形式。然而，攻击角度约束与攻击时间约束是两类不同的时空约束条件，它们之间存在着强耦合关系进一步增加了该问题的求解难度。
[0003]平面攻击角度约束制导律可解决单通道攻击角度约束制导问题，这种方法在其它通道初始飞行方向偏差不大的情况下可以取得不错的制导效果。而在实际问题中，存在初始飞行方向与攻击角度约束所在平面偏差较大的情况。若采用分通道的攻击角度约束方法，将忽略三维制导问题的空间运动学耦合问题，导致制导性能下降。为解决三维空间内的攻击角度约束问题，需要提出一种非线性的攻击角度约束制导律。
[0004]随着无人飞行器以及现代武器装备低成本化的发展，低成本巡航器成为一种典型的作战平台，而巡航器编队化可实现协同侦查和打击。由于巡飞器推力范围有限，所以其飞行速度具有上限，另一方面飞行器需要保持一定的速度下限以保证机动能力。因此，需要一种适应实际作战需求考虑飞行器速度限制的制导律。

技术实现思路

[0005]本专利技术公开一种考虑飞行器速度限制实现攻击角度约束和时间约束的三维制导方法，将有动力飞行器的制导解耦为以法向加速度为输入的独立飞行方向控制以实现攻击角度约束，以发动机推力为输入的切向飞行速度控制实现在期望攻击时间击中目标。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0007]本专利技术公开的一种飞行器速度限制条件下时间和角度约束三维制导方法，在三维空间建立矢量模型，运用四元数理论和空间矢量制导模型解决空间比例导引的攻击角度预测问题，选取相应的性能指标将对误差的控制问题转化为最优问题进行求解，通过调节预测的最终飞行器速度方向和期望的攻击角度方向之间的误差，实现攻击角度控制。在攻击角度约束制导律下，弹道形状和长度与飞行器速度变化无关。考虑飞行器速度受空气动力、
重力以及发动机推力影响，将攻击时间约束问题转化为剩余轨迹长度控制问题，在飞行器速度限制的条件下通过轴向加速度的控制实现剩余轨迹长度的控制，实现飞行器在预设的期望时间击中目标。通过攻击角度约束制导律和轴向推力控制制导律相结合，实现飞行器速度限制的条件下攻击角度和时间约束的制导。
[0008]本专利技术公开的一种飞行器速度限制条件下时间和角度约束三维制导方法，包括如下步骤：
[0009]步骤一：建立制导场景的三维制导问题矢量模型，运用四元数理论和空间矢量制导模型对三维空间比例导引的攻击角度进行预测。
[0010]R代表空间相对位置矢量，为
[0011]R＝P
t
‑
P
m
ꢀꢀꢀ
(1)
[0012]其中，P
t
和P
m
分别为目标和飞行器的位置矢量，V
m
和A
m
为飞行器飞行速度和加速度矢量。和分别为法向和切向加速度矢量，且设速度矢量旋转角速度矢量为Ω
m
，视线角旋转角速度矢量为
[0013][0014][0015]当速度定常时，即三维比例导引指令为
[0016][0017]飞行速度旋转角速度矢量为
[0018][0019]比例导引指令处在弹目运动平面内，因此比例导引条件下制导过程将在弹目运动平面内完成，弹目运动平面即飞行器质心、速度和目标质心所在平面。V
f
是比例导引情况下的终端速度矢量，通过比例导引的运动学特性进行预测。定义V
m
和R之间的角度为σ，
[0020][0021]在视线坐标系中，视线角旋转角速度表示为
[0022][0023]其中，ζ为视线和V
f
之间的夹角。k
L
是沿Z
L
方向的单位矢量，表示为
[0024][0025]进一步地，飞行速度旋转角速度表示为
[0026][0027]根据(5)知
[0028][0029]判定当前时刻为初始时刻，比例导引末端前置角为0，积分得结合σ的定义得从V
m
到V
f
的旋转矢量
[0030][0031]其中，φ为旋转角度大小表示为
[0032][0033]根据四元数理论
[0034][0035][0036]其中，
[0037][0038]攻击角度误差为预测的最终飞行器速度方向V
f
与其期望的方向V
c
之间的夹角，表示为
[0039][0040]通过建立三维空间制导矢量模型，结合(13)
‑
(15)实现对飞行器最终速度方向的预测，并基于该预测定义攻击角度误差。
[0041]步骤二：采用偏置比例导引反馈结构，对偏置项正交分解，选取相应的性能指标将对误差的控制问题转化为最优问题进行求解，通过调节预测的最终飞行器速度方向和期望的攻击角度方向之间的误差，实现攻击角度控制。
[0042]三维攻击角度约束制导指令分为两部分其中，保证导弹拦截目标，采用比例导引律。A
b
偏置项基于预测
‑
校正概念，通过调节预测的最终飞行器速度方向V
f
与其期望的方向V
c
之间的误差，以满足攻击角度约束。定义
[0043]V＝||V
m
||,r＝‖R‖
ꢀꢀꢀ
(17)
[0044][0045]这些变量为单位向量。对(16)求导得
[0046][0047]其中，
[0048][0049][0050]在由和R
e
构成的平面内，垂直于V
m
的向量定义为
[0051][0052]将偏置项沿着k
y
和k
L
方向进行正交分解得到
[0053]A
b
＝A
bL
+A
by
ꢀꢀꢀ
(23)
[0054]将(23)代入(19本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞行器速度限制条件下时间和角度约束三维制导方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立制导场景的三维制导问题矢量模型，运用四元数理论和空间矢量制导模型对三维空间比例导引的攻击角度进行预测；步骤二：采用偏置比例导引反馈结构，对偏置项正交分解，选取相应的性能指标将对误差的控制问题转化为最优问题进行求解，通过调节预测的最终飞行器速度方向和期望的攻击角度方向之间的误差，实现攻击角度控制；步骤三：考虑飞行器速度受空气动力、重力以及发动机推力影响，将攻击时间约束问题转化为剩余轨迹长度控制问题，在飞行器速度限制的条件下通过轴向加速度的控制实现剩余轨迹长度的控制，实现飞行器在预设的期望时间击中目标。2.如权利要求1所述的一种飞行器速度限制条件下时间和角度约束三维制导方法，其特征在于：步骤一实现方法为，R代表空间相对位置矢量，为R＝P
t
‑
P
m
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，P
t
和P
m
分别为目标和飞行器的位置矢量，V
m
和A
m
为飞行器飞行速度和加速度矢量；和分别为法向和切向加速度矢量，且设速度矢量旋转角速度矢量为Ω
m
，视线角旋转角速度矢量为，视线角旋转角速度矢量为当速度定常时，即三维比例导引指令为飞行速度旋转角速度矢量为比例导引指令处在弹目运动平面内，因此比例导引条件下制导过程将在弹目运动平面内完成，弹目运动平面即飞行器质心、速度和目标质心所在平面；V
f
是比例导引情况下的终端速度矢量，通过比例导引的运动学特性进行预测；定义V
m
和R之间的角度为σ，在视线坐标系中，视线角旋转角速度表示为其中，ζ为视线和V
f
之间的夹角；k
L
是沿Z
L
方向的单位矢量，表示为
进一步地，飞行速度旋转角速度表示为根据知判定当前时刻为初始时刻，比例导引末端前置角为0，积分得结合σ的定义得从V
m
到V
f
的旋转矢量其中，φ为旋转角度大小表示为根据四元数理论根据四元数理论其中，攻击角度误差为预测的最终飞行器速度方向V
f
与其期望的方向V
c
之间的夹角，表示为通过建立三维空间制导矢量模型，结合
‑
实现对飞行器最终速度方向的预测，并基于该预测定义攻击角度误差。3.如权利要求2所述的一种飞行器速度限制条件下时间和角度约束三维制导方法，其特征在于：步骤二实现方法为，三维攻击角度约束制导指令分为两部分其中，保证导弹拦截目标，采用比例导引律；A
b
偏置项基于预测
‑
校正概念，通过调节预测的最终飞行器速度方向V
f
与其期望的方向V
c
之间的误差，以满足攻击角度约束；定义V＝||V
m
||,r＝‖R‖
ꢀꢀꢀꢀ
(17)所述变量为单位向量；对求导得
其中，其中，在由和R
e
构成的平面内，垂直于V
m
的向量定义为将偏置项沿着k
y
和k
L
方向进行正交分解得到A<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王佳楠，陶茜子，陈亚东，刘俊辉，单家元，单永志，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：