兼顾可观测性和反拦截精度的主动防御协同突防制导方法技术

本发明专利技术公开了一种兼顾可观测性和反拦截精度的主动防御协同突防制导方法。本发明专利技术首先建立主动防御非线性运动学模型；构建了兼顾目标可探测性和突防制导精度的滑模状态变量和滑模面；通过引入双幂次趋近律和带状态反馈的指数型趋近律，设计了单向协同滑模制导律；构建加速度目标函数，将双向协同问题转化为最小化目标弹

【技术实现步骤摘要】
兼顾可观测性和反拦截精度的主动防御协同突防制导方法


[0001]本专利技术属于导弹制导与控制
，具体涉及一种兼顾可观测性和反拦截精度的主动防御协同突防制导方法。

技术介绍

[0002]近些年，随着导弹防御技术的快速发展，弹道导弹突防面临巨大困难。导弹突防策略主要分为反侦察类和反拦截类，主动防御策略作为一种高效的反拦截突防手段，是一种通过己方目标飞行器或伴飞平台释放防御弹打击来袭拦截弹的防御策略，同时目标弹
‑
防御弹可以采取协同机动来提升防御弹反拦截的性能，提高突防概率。
[0003]此外，在制导过程中，目标的状态估计信息作为重要的输入信息来源，其估计精度直接影响了制导性能。因此，在制导律设计过程中，要求制导系统保证制导精度的同时需要兼顾目标状态估计性能，这对制导律的设计提出了更高的要求。由于滑模控制方法对系统不确定性和外界干扰具有较强的鲁棒性，同时具有结构简单、易于实施和快速响应等优点，因此被应用于制导律设计。但通常情况下，一阶滑模控制系统要求系统扰动上界已知，但在实际情况下，这些信息难以获取。为了解决此问题，通过构造扩张状态观测器来对拦截弹未知机动进行实时估计，并将其补偿到防御弹滑模制导律中，能够有效的削弱滑模抖振，减少防御弹打击来袭拦截弹所需过载。因此综合主动防御、滑模控制和扩张状态观测器的优点，设计兼顾可观测性和反拦截精度的主动防御协同突防制导律很有必要。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术的不足，提供一种兼顾可观测性和反拦截精度的主动防御协同突防制导方法。
[0005]本专利技术的具体步骤如下：
[0006]步骤1、主动防御非线性运动学建模
[0007]构建由目标弹、防御弹和来袭拦截弹组成的主动防御非线性运动学模型；
[0008]步骤2、滑模状态变量以及滑模面构建
[0009]设计满足可观测性和反拦截精度要求的滑模状态变量x1和x2，其中x1为目标弹
‑
拦截弹之间的视线角差值与期望值之间的偏差和防御弹
‑
拦截弹之间的视线角差值与期望值之间的偏差，x2表示目标弹
‑
拦截弹之间视线角差值的导数和防御弹
‑
拦截弹之间视线角差值的导数；然后求出滑模状态变量的一阶动态方程和表达式，构建兼顾目标可探测性和突防制导精度的滑模面s。
[0010]步骤3、目标弹
‑
防御弹单向协同滑模制导律设计
[0011]考虑目标弹
‑
防御弹单向协同配合模式下，为了满足不同场景下的制导需求，分别应用双幂次趋近律和带状态反馈的指数型趋近律进行制导律设计。为了确保滑模控制系统有限时间收敛，引入双幂次趋近律，并根据步骤2中的滑模面设计出双幂次趋近下目标弹
‑
防御弹单向协同滑模制导律G1；为了削弱滑模抖振现象，基于带状态反馈的指数型趋近律，
并根据步骤2中的滑模面设计出带状态反馈的指数型趋近下目标弹
‑
防御弹单向协同滑模制导律G2。
[0012]步骤4、目标弹
‑
防御弹双向协同滑模制导律设计
[0013]目标弹
‑
防御弹双向协同配合模式，能够降低防御弹打击拦截弹的所需过载，防止防御弹加速度长时间处于饱和状态导致反拦截失败。将目标弹和防御弹的复合控制律视为u，并构建目标弹
‑
防御弹加速度加权和的目标函数J，将u带入目标函数J中，此双向协同问题表述为最小化目标弹
‑
防御弹的加速度的优化问题。当趋近律为双幂次趋近律时，设计出双幂次趋近律下目标弹
‑
防御弹双向协同滑模制导律G3；趋近律为带状态反馈的指数型趋近律时，设计出带状态反馈的指数型趋近律下目标弹
‑
防御弹双向协同滑模制导律G4；
[0014]步骤5、基于扩张状态观测器的主动防御滑模制导律设计
[0015]实际情况下，来袭拦截弹的加速度a
M
通常是未知的，引入扩张状态观测器来对来袭拦截弹加速度相关扰动项d进行实时估计；根据滑模系统状态变量的导数构造一个扩张状态观测器，表示视线角差值与期望值之间偏差的导数；得到x1和d的扰动估计值，由此设计出基于扩张状态观测器的主动防御滑模协同制导律；
[0016]设计的扩张状态观测器，具体为：
[0017]首先将D1＝(R
DM
cos(γ
M
‑
θ
TM
)
‑
R
TM
cos(γ
M
‑
θ
DM
))a
M
设为增广状态，根据滑模状态变量的一阶动态方程构造如下一个扩张状态观测器为
[0018][0019]式中Ψ
DT
＝Φ
DT
‑
Φ
f
，z1和e分别表示的估计值和估计误差，z2为D1的估计值，β1和β2为观测增益，γ
j
，a
j
各导弹的航向角和加速度，T，D，M分别表示目标弹、防御弹和来袭拦截弹，R
DM
，R
TM
和θ
DM
，θ
TM
分别表示防御弹
‑
拦截弹和目标弹
‑
拦截弹之间的相对距离和视线角，Φ
DT
为目标弹
‑
拦截弹、防御弹
‑
拦截弹视线角偏差值，Φ
f
为期望的视线角偏差，fal函数的定义为
[0020][0021]其中，0＜τ＜1，0＜δ＜1。
[0022]由此，系统扰动d的估计值描述为
[0023][0024]将扰动估计值分别带入目标弹
‑
防御弹单向协同滑模制导律G2和目标弹
‑
防御弹双向协同滑模制导律G4中，即可得到基于扩张状态观测器的单向/双向协同主动防御滑模制导律。
[0025]作为优选，所述的主动防御非线性运动学模型，具体为：将目标弹、防御弹和来袭
拦截弹分别用T，D，M表示。主动防御非线性运动学模型表示为防御弹
‑
拦截弹和拦截弹
‑
目标弹的两组相对运动模型。建立主动防御非线性运动学模型为
[0026][0027]式中,i＝{T,D}，j＝{T,D,M}，γ
j
，a
j
和V
j
分别表示各导弹的航向角、加速度和速度；R
DM
，R
TM
和θ
DM
，θ
TM
分别表示防御弹
‑
拦截弹和目标弹
‑
拦截弹之间的相对距离和视线角。
[0028]作为优选，步骤2中，令Φ
DT
为目标弹
‑
拦截弹、防御弹
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.兼顾可观测性和反拦截精度的主动防御协同突防制导方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、主动防御非线性运动学建模构建由目标弹、防御弹和来袭拦截弹组成的主动防御非线性运动学模型；步骤2、滑模状态变量以及滑模面构建设计满足可观测性和反拦截精度要求的滑模状态变量x1和x2，其中x1为目标弹
‑
拦截弹之间的视线角差值与期望值之间的偏差和防御弹
‑
拦截弹之间的视线角差值与期望值之间的偏差，x2表示目标弹
‑
拦截弹之间视线角差值的导数和防御弹
‑
拦截弹之间视线角差值的导数；然后求出滑模状态变量的一阶动态方程和表达式，构建兼顾目标可探测性和突防制导精度的滑模面s；步骤3、目标弹
‑
防御弹单向协同滑模制导律设计考虑目标弹
‑
防御弹单向协同配合模式下，为了满足不同场景下的制导需求，分别应用双幂次趋近律和带状态反馈的指数型趋近律进行制导律设计；为了确保滑模控制系统有限时间收敛，引入双幂次趋近律，并根据步骤2中的滑模面设计出双幂次趋近下目标弹
‑
防御弹单向协同滑模制导律G1；为了削弱滑模抖振现象，基于带状态反馈的指数型趋近律，并根据步骤2中的滑模面设计出带状态反馈的指数型趋近下目标弹
‑
防御弹单向协同滑模制导律G2；步骤4、目标弹
‑
防御弹双向协同滑模制导律设计目标弹
‑
防御弹双向协同配合模式，能够降低防御弹打击拦截弹的所需过载，防止防御弹加速度长时间处于饱和状态导致反拦截失败；将目标弹和防御弹的复合控制律视为u，并构建目标弹
‑
防御弹加速度加权和的目标函数J，将u带入目标函数J中，此双向协同问题表述为最小化目标弹
‑
防御弹的加速度的优化问题；当趋近律为双幂次趋近律时，设计出双幂次趋近律下目标弹
‑
防御弹双向协同滑模制导律G3；趋近律为带状态反馈的指数型趋近律时，设计出带状态反馈的指数型趋近律下目标弹
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防御弹双向协同滑模制导律G4；步骤5、基于扩张状态观测器的主动防御滑模制导律设计实际情况下，来袭拦截弹的加速度a
M
通常是未知的，引入扩张状态观测器来对来袭拦截弹加速度相关扰动项d进行实时估计；根据滑模系统状态变量的导数构造一个扩张状态观测器，表示视线角差值与期望值之间偏差的导数；得到x1和d的扰动估计值，由此设计出基于扩张状态观测器的主动防御滑模协同制导律；设计的扩张状态观测器，具体为：首先将D1＝(R
DM
cos(γ
M
‑
θ
TM
)
‑
R
TM
cos(γ
M
‑
θ
DM
))a
M
设为增广状态，根据滑模状态变量的一阶动态方程构造如下一个扩张状态观测器为式中Ψ
DT
＝Φ
DT
‑
Φ
f
，z1和e分别表示的估计值和估计误差，z2为D1的估计值，
β1和β2为观测增益，γ
j
，a
j
各导弹的航向角和加速度，T，D，M分别表示目标弹、防御弹和来袭拦截弹，R
DM
，R
TM
和θ
DM
，θ
TM
分别表示防御弹
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拦截弹和目标弹
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拦截弹之间的相对距离和视线角，Φ
DT
为目标弹
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拦截弹、防御弹
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拦截弹视线角偏差值，Φ
f
为期望的视线角偏差，fal函数的定义为其中，0＜τ＜1，0＜δ＜1；由此，系统扰动d的估计值描述为将扰动估计值分别带入目标弹
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防御弹单向协同滑模制导律G2和目标弹
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防御弹双向协同滑模制导律G4中，即可得到基于扩张状态观测器的单向/双向协同主动防御滑模制导律。2.根据权利要求1所述的增强探测信息可观测性的主动防...

【专利技术属性】
技术研发人员：方峰，朱奕超，王昌平，李文韬，彭冬亮，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：