【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及导弹拦截，具体为一种考虑飞行状态约束的制导控制一体化设计方法。
技术介绍
1、随着空天武器系统技术的发展，高速机动目标的突防、隐身和机动逃逸能力不断提升，拦截导弹的战术技术指标呈现出多维化的需求，这对传统的防御系统带来了巨大挑战，而导弹的末制导律设计直接决定了导弹的末端弹道和拦截精度。因此，研究适应战场需求，拦截高速机动目标的新型末制导律具有重大意义。自上世纪40年代德国首次将v-2型弹道导弹应用于实战后，国内外学者对导弹的控制规律展开了一系列的研究。比例制导律（pn）是工程上应用最为广泛的导引律之一，具有需要导引信息少，在工程上易于实现的优点。按照不同的制导指令设计方向，传统的比例制导律可以分为纯比例导引（ppn）和真比例导引（tpn）。在ppn中，拦截弹的制导指令设计为垂直于导弹速度方向；而在tpn中，拦截弹的制导指令则与导弹和目标的视线方向相垂直。在后续的研究工作中，国内外学者针对这两种制导律进行了大量的研究，并提出了ipn、gtpn、oppn、rtpn等一系列的改进方法。
2、传统的基于pn的制导律虽然具有较强的工程应用范围，但随着战场环境的改变及目标机动能力的提升，希望制导律满足更加复杂的终端约束条件。如针对采用特殊气动外形和吸波材料的隐身战机、隐身巡航导弹等目标，由于其雷达反射截面较小，通常只在某些特定角度能被识别，这要求导弹具备从空间不同方位进行拦截的能力。针对高速移动目标，由于现代拦截弹通常采用动能杀伤的方式进行拦截，拦截弹的末制导时间很短，这要求拦截弹的末制导律具备快速收敛能力。为了解
3、此外，现有制导律设计方法中，大多采用三自由度弹-目相对运动学模型进行研究，该类方法在飞行器速度较小时效果较好。但随着拦截弹速度和机动能力的提升，飞行器外环运动学模型和内环姿态动力学模型不再满足频谱分离条件，姿态系统作为快变子系统与外环慢变运动学子系统之间的时间常数不一致，导致制导精度降低。为了避免该现象的出现，常用的方法是建立制导和控制一体化模型，在给定期望的打击角度条件下，直接设计内环舵偏角指令。因此，制导和控制一体化设计方法引起了越来越多学者的关注。为了提升飞行器在制导阶段的瞬态和稳态控制效果，一类基于预设性能的制导和控制方法被提出，通过在制导系统中引入新的误差转换函数，可实现视线角在给定区间内迅速收敛到期望值。针对气动舵面出现的饱和问题，相关学者设计了新型辅助系统，在系统出现执行机构饱和时，调节控制输入大小，有效缓解了执行机构饱和现象。目前，解决拦截弹制导和控制一体化问题，大多采用非线性理论结合扰动观测器技术，实现在三维空间中对机动目标的拦截或打击。现有的制导和控制方法中，大多没有考虑飞行状态约束，如飞行攻角和姿态角约束等，然而在实际飞行环境中，过大的飞行攻角将导致气动效率下降。对于有推力的飞行器，过大的飞行攻角还会引起发动机不稳定工作甚至喘振，因为，需要对飞行器的飞行状态进行约束，进而提高拦截弹的飞行稳定性与安全性。
4、通过上述分析可知，虽然目前制导和控制一体化方法有大量研究成果，但现有文献中往往没有考虑飞行状态约束，为六自由拦截弹的稳定飞行带来安全巨大隐患。此外，拦截弹在真实飞行环境下，面临多种约束条件，诸如输入饱和约束、未知的外界扰动约束、飞行状态约束、打击角度约束等，现有文献中考虑复杂约束条件下的制导和控制一体化设计方法研究较少。为解决上述问题，本专利技术通过引入障碍lyapunov函数、一阶辅助抗饱和子系统及自适应反演控制等技术，设计出一种新型制导和控制一体化策略，在保证满足飞行状态约束、输入饱和约束的前提下，实现以期望的角度对三维机动目标进行拦截或打击。
技术实现思路
1、为解决
技术介绍
中存在的问题，以六自由度飞行器拦截三维机动目标为研究背景，考虑角度约束对制导性能的影响，本专利技术提出一种考虑飞行状态约束的制导控制一体化设计方法，在满足飞行角度约束的条件下，实现六自由度拦截弹对机动目标的拦截，避免了由于制导初始阶段大攻角、大姿态角对制导性能的影响。采用安全约束控制理论设计新型制导和控制一体化策略，提升拦截弹的飞行稳定性和安全性，本方案的方法包括如下步骤：
2、s1：建立三维制导和控制一体化模型；
3、s2：基于s1的模型设计机动目标以期望角度打击或拦截算法；
4、s3：基于s2的算法设计出状态约束下的制导控制算法。
5、本方案具体的：
6、第一步、根据飞行器运动学模型、动力学模型和三维弹-目相对运动学模型，建立六自由度制导和控制一体化模型，避免内外环动力学模型时间常数不一致对制导效能的影响；
7、第二步、采用非线性反演控制理论、非线性干扰观测器等技术，设计了实现空间打击角度约束的制导控制一体化策略，实现期望视线角度跟踪误差在有限时间内收敛到零；
8、第三步、考虑飞行角度和姿态角速率等状态约束，通过在传统非线性控制方法中引入障碍lyapunov函数，设计了新型考虑状态约束的制导和控制一体化指令；
9、第四步、基于lyapunov稳定性控制理论给出了所设计方法的稳定性证明，确保闭环系统所有误差状态在有限时间内收敛到零的小邻域内，确保了飞行状态约束条件得以满足。
10、本专利技术至少具备以下有益效果：
11、1、不同于现有文献中采用的三自由度制导模型，本专利技术以六自由度拦截弹模型为研究对象，有效避免了由于制导和控制回路的时间常数不一致导致的制导精度降低问题；
12、2、不同于现有制导律文献中以过载或加速度作为拦截弹输入指令，本专利技术提出的制导控制一体化方法，直接产生舵面偏转控制指令，能够充分发挥六自由度拦截弹性能优势，具有更广的模型适用范围；
13、3、本专利技术所设计的制导控制策略，考虑了飞行攻角和姿态角速率等飞行条件约束，基于安全约束控制理论，设计了考虑状态的约束制导控制一体化方法，有效提升了拦截弹的飞行安全性和稳定性。
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1.一种考虑飞行状态约束的制导控制一体化设计方法，包括定义坐标系，
2.根据权利要求1所述的一种考虑飞行状态约束的制导控制一体化设计方法，其特征在于：设为弹目距离，和代表视线倾角和视线偏角，和分别为拦截弹和目标的速度大小，和为拦截弹在视线系下的前置角，和为目标在视线系下的前置角，设和分别为拦截弹和目标加速度矢量在视线系下的分量，则弹-目相对运动学模型描述为：
3.根据权利要求1所述的一种考虑飞行状态约束的制导控制一体化设计方法，其特征在于：设计机动目标以期望角度打击或拦截算法包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种考虑飞行状态约束的制导控制一体化设计方法，其特征在于，设计状态约束下的制导控制算法，包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种考虑飞行状态约束的制导控制一体化设计方法，包括定义坐标系，
2.根据权利要求1所述的一种考虑飞行状态约束的制导控制一体化设计方法，其特征在于：设为弹目距离，和代表视线倾角和视线偏角，和分别为拦截弹和目标的速度大小，和为拦截弹在视线系下的前置角，和为目标在视线系下的前置角，设和分别为拦截弹和目标加速度矢量在视线...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈宝文，王一波，谭立国，李建锋，熊永程，
申请(专利权)人：深圳信息职业技术学院，
类型：发明
国别省市：
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