【摘 要】
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随着现代防空反导防御体系逐渐体现出网络化、层次化的发展特点,单枚导弹突防面临着越来越多的挑战,难以发挥理想的打击效能。在此背景下,多导弹协同作战由于其要求各导弹同时命中目标、能在短时间内对目标进行高密度的饱和攻击、突防能力强、毁伤概率高,近年来逐渐成为国内外制导研究的热点。多导弹分布式协同制导律是关系导弹飞行和实现多导弹协同作战的关键,其设计不仅要依据导弹自身性能,还必须要考虑弹间通信因素的影响。
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随着现代防空反导防御体系逐渐体现出网络化、层次化的发展特点,单枚导弹突防面临着越来越多的挑战,难以发挥理想的打击效能。在此背景下,多导弹协同作战由于其要求各导弹同时命中目标、能在短时间内对目标进行高密度的饱和攻击、突防能力强、毁伤概率高,近年来逐渐成为国内外制导研究的热点。多导弹分布式协同制导律是关系导弹飞行和实现多导弹协同作战的关键,其设计不仅要依据导弹自身性能,还必须要考虑弹间通信因素的影响。在实际应用中,导弹的通信能力以及导引头视场(Field-of-view,FOV)范围等均存在一定约束,这些给多导弹协同制导律的设计带来了新的挑战,比如现有通信设备通常难以保证弹间信息的持续交互,信息在传输时,由网络拥塞、电磁干扰等造成的数据丢包与传输时延问题也难以避免,这些将可能使基于理想通信条件所设计的协同制导律失效;由于FOV约束的存在,在某些协同制导情形中必须限制导弹在其飞行过程中相对目标的姿态,否则若导引头丢失目标可能会给多导弹的协同带来无法预料的后果。因此,在设计多导弹分布式协同制导律时必须考虑这些实际因素的限制。本文研究多导弹分布式协同制导问题,考虑弹间通信网络以及导弹性能等限制,以多智能体一致性协同控制理论为支撑,对相关一致性算法进行改进以适应导弹制导的需求,基于这些改进算法设计多导弹分布式协同制导律,以实现多导弹同时命中目标。特别地,针对非合作运动目标提出一种新型矩形脉冲控制方法,实现二阶多智能体有界一致跟踪,并在此基础上研究针对非机动与机动目标的协同制导问题。本文主要研究内容如下:1.研究了弹间通信存在丢包及时延等因素的多导弹协同制导问题。针对静止目标,考虑由通信随机丢包及随机时延等引起的通信拓扑随机变化导致实际拓扑非连通甚至通信中断等问题,提出了一种分布式协同制导方法。基于通信采样数据设计一种线性控制律,通过构造误差系统并使其稳定来保证导弹相关协调变量达到渐近一致状态;当导弹相关变量状态一致且接近目标时,断开通信独立导引至目标。该制导方法无实时通信拓扑要求,即允许某些时刻出现拓扑非连通甚至通信中断等情况。2.研究了带有不同视场约束的异类多导弹协同制导问题。针对静止目标,考虑异类多导弹往往带有不同的视场约束,提出了一种分布式协同制导策略。各导弹以固定周期与网络中邻居导弹节点交互剩余距离信息,生成一致性误差。根据导弹视场范围及前置角,采用饱和函数将一致性误差生成协同一致律,以确保相关变量实现状态一致。当导弹相关变量状态一致且接近目标后,断开通信连接独立导引至目标。依据反馈线性化、图论及矩阵理论,给出了协同制导律成立的充分条件。所提协同制导律能满足导弹各自不同的视场约束要求,且对于通信丢包具有一定的鲁棒性。3.研究了矩形脉冲控制策略下针对非机动目标的多导弹协同制导问题。首先,在二阶多智能体一致跟踪问题中研究矩形脉冲控制方法的相关性能。考虑多智能体系统中领导者受到外部未知时变有界输入激励,提出了一种仅利用邻居节点的采样位置信息的新型矩形脉冲控制方法,以实现跟随者对领导者的有界一致跟踪。基于图论及矩阵理论,给出了固定拓扑下实现有界一致跟踪以及随机切换拓扑下实现均方有界一致跟踪的充要条件。所提控制策略对于通信丢包及噪声等干扰具有一定的鲁棒性,且兼具Dirac脉冲控制与采样控制的性能。然后,根据所提矩形脉冲控制方法设计分布式协同制导律以实现多导弹同时命中非机动目标。所提协同制导律也可应用于无通信支撑下的协同制导问题,适用范围相对较广。4.研究了针对机动目标的多导弹编队协同制导问题。为实现多导弹以预定编队飞行并同时命中机动目标,提出了一种“领弹–从弹”结构分布式协同制导律,领弹采用改进比例导引法拦截目标;基于矩形脉冲控制策略设计了从弹协同制导律,从弹仅根据邻居导弹的采样位置信息实现对领弹的跟踪,且能与领弹保持预定编队飞行。推导了多导弹实现同时命中机动目标的充要条件,进而给出了协同制导律的设计依据。由于仅需导弹间周期交互采样位置数据,所提分布式协同制导律设计较为简单,且能够相对灵活地设计编队队形。
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