CN113625745B - 一种基于切换固定时间收敛理论的攻击时间控制制导方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于切换固定时间收敛理论的攻击时间控制制导方法，实现飞行器在指定的攻击时刻命中目标。该方法首先给出飞行器相对目标的运动关系，随之预测各飞行器的剩余命中时间，进一步定义攻击时间误差变量，最后给出可使得飞行器在指定时间命中目标的攻击时间控制制导律。具体为：步骤1：建立飞行器相对目标的运动关系模型；步骤2：预测飞行器的剩余命中时间；步骤3：定义攻击时间误差变量；步骤4：给出连续切换的固定时间收敛攻击时间控制制导律。与现有的固定时间收敛攻击时间控制制导方法相比，所设计方法可降低初始法向加速度幅值。

Description

一种基于切换固定时间收敛理论的攻击时间控制制导方法

技术领域

本发明涉及一种基于切换固定时间收敛理论的攻击时间控制制导方法，属于飞行器制导、控制领域，具体为发明了一种可切换固定时间收敛的攻击时间控制制导方法，使飞行器能够在指定时间命中目标，且保证攻击时间误差能够固定时间收敛。

背景技术

攻击时间控制制导方法可使飞行器在指定时间命中目标，其对执行带攻击时间约束的作战任务具有特有的优势。现有的攻击时间控制制导方法主要通过构建攻击时间误差，并使其稳定收敛来实现对攻击时间的控制。攻击时间的收敛方式主要有渐近时间收敛和有限时间收敛，渐近时间收敛可以保证攻击时间误差至0，但收敛时间趋于无穷大，然而对于攻击时间控制制导方法而言，应保证攻击时间误差在攻击时间之前收敛，若算法收敛时间大于期望的攻击时间，则将导致最终的攻击时间与期望的攻击时间不一致。有限时间控制方法虽然能够保证误差在有限时间内收敛，但收敛时间的上界依赖于系统状态初始值，对于一些初始状态难以测取的系统，则无法预估收敛时间的上界。鉴于此，研究学者们提出了不依赖系统初始状态值的固定时间收敛方法，考虑到现有的固定时间收敛方法初始控制量冲击大，而飞行器的控制量是受限的，直接将其移植于飞行器制导方法是不完善的。因此，本发明设计了一种可切换固定时间收敛理论的攻击时间控制制导方法，固定时间收敛方法的切换特性能够降低初始控制量冲击，所设计方法可使得飞行器在指定时刻命中目标。

发明内容

本发明针对飞行器在指定时间命中目标问题，提出了可切换固定时间收敛的攻击时间控制制导方法。攻击时间控制制导算法不仅可保证固定时间收敛特性，其切换特性可以降低初始控制量的冲击。

本发明的技术构思为：为飞行器设计固定时间收敛的攻击时间控制制导律，使得飞行器在指定时间命中目标。该方法首先建立飞行器相对目标运动的数学模型，进一步预测飞行器的剩余命中时间，并构建攻击时间误差，最后可保证攻击时间误差固定时间收敛的攻击时间控制制导律。

本发明为一种使得飞行器在指定时间命中目标的可固定时间收敛制导方法，包括以下步骤：

步骤1：建立飞行器相对目标的运动关系模型。

针对二维平面下飞行器对固定目标的打击，飞行器与目标的相对运动学模型可由如下的方程描述：

式中，r为飞行器与目标间的距离，V为飞行器飞行速度，q为飞行器相对目标的视线角，γ和φ分别为飞行器的航迹角和前置角，a_n为垂直于速度方向的法向加速度。

步骤2：预测飞行器的剩余命中时间。

飞行器的剩余命中时间

可采用下式预测：

式中N_s>2表示导航比。

步骤3：定义攻击时间误差变量。

攻击时间误差变量定义为：

式中，t表示当前时间，T_d为期望的攻击时刻。若可保证ξ＝0，则当t＝T_d时

由式(2)可知，此时r＝0，即飞行器在期望的攻击时刻T_d命中目标。因此，所设计攻击时间控制制导律应保证ξ在攻击时刻T_d前稳定收敛。

步骤4：给出连续切换的固定时间收敛攻击时间控制制导律。

为了使得ξ固定时间收敛，本发明设计连续切换的固定时间收敛攻击时间控制制导律为：

式中ν为辅助变量，k为制导增益，μ₁和μ₁为正实数，且满足0<μ₁<1，μ₂>1，τ为切换因子，δ＞0为切换边界。

本发明的有益效果为：设计了一种可切换固定时间收敛的攻击时间控制制导方法，在所设计制导律下，飞行器能够在指定时间命中目标。与传统的固定时间收敛攻击时间控制制导方法不同，本发明所设计的制导律引入了切换因子τ使得

sign(ξ)和

sign(ξ)工作在不同的时域，且其切换是连续的，不会导致法向加速度在切换点突变，此连续切换特性能够有效降低初始法向加速度的冲击。

附图说明

图1不可切换固定时间收敛制导律下飞行器运动轨迹曲线；

图2不可切换固定时间收敛制导律下飞行器与目标间距离变化曲线；

图3不可切换固定时间收敛制导律下攻击时间误差变化曲线；

图4不可切换固定时间收敛制导律下飞行器法向加速度曲线；

图5可切换固定时间收敛制导律下飞行器运动轨迹曲线；

图6可切换固定时间收敛制导律下飞行器与目标间距离变化曲线；

图7可切换固定时间收敛制导律下攻击时间误差变化曲线；

图8可切换固定时间收敛制导律下飞行器法向加速度曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，参照附图1—8对本发明做进一步说明。

所发明一种可切换固定时间收敛的攻击时间控制制导方法包含以下步骤：

步骤1：建立飞行器与目标的相对运动数学模型

飞行器相对目标的运动关系可以表示为：

式中，r为飞行器与目标间的距离，V为飞行器飞行速度，q为飞行器相对目标的视线角，γ和φ分别为飞行器的航迹角和前置角，a_n为垂直于速度方向的法向加速度。

步骤2：预测飞行器的剩余命中时间。

飞行器的剩余命中时间

可采用下式预测：

式中N_s>2表示导航比。

步骤3：定义攻击时间误差变量。

攻击时间误差变量定义为：

式中，T_d表示期望的攻击时间。

步骤4：给出连续切换的固定时间收敛攻击时间控制制导律

连续切换的固定时间收敛攻击时间控制制导律设计为：

式中k为制导增益，0<μ₁<1，μ₂>1，τ为切换因子，δ＞0为切换边界。

利用Matlab仿真平台验证所设计算法，验证可切换固定时间收敛的攻击时间控制制导方法的有效性，将本发明所设计方法与无切换因子的固定时间收敛控制时间控制制导律

做比较，其中k₂和k₃为制导增益。对于实施例，以打击空中静止目标为背景，制导律参数选择为：N_s＝3，k＝6，μ₁＝0.5，μ₂＝0.5，δ＝0.5，k₁＝3，k₂＝6，T_d＝65s。为了公平对比，k₁的选取原则遵循了k₁＝kδ^μ1-μ2，k＝k₂。飞行器初始位置为(1000,5000)，γ(0)＝π/3，目标位置为(9000m,12000m)，飞行器速度选为200m/s，最大过载限制为20g。

在两种不同方法下的攻击时间控制制导仿真结果分别见图1-图4和图5-图8，由飞行轨迹和飞行器与目标距离曲线可知，两种方法都能保证飞行器在指定时间T_d＝65s命中目标，攻击时间误差能够稳定收敛，由法向加速度曲线图4和图8可知，采用可切换固定时间收敛攻击时间控制制导律的初始法向加速度明显小于不可切换固定时间收敛攻击时间控制制导律的法向加速度初始值，验证了可切换固定时间收敛攻击时间控制制导律可降低初始法向加速度冲击。

Claims (3)

1.一种基于切换固定时间收敛理论的攻击时间控制制导方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立飞行器相对目标的运动关系模型；

针对二维平面下飞行器对固定目标的打击，飞行器与目标的相对运动学模型可由如下的方程描述：

式中，r为飞行器与目标间的距离，V为飞行器飞行速度，q为飞行器相对目标的视线角，γ和φ分别为飞行器的航迹角和前置角，a_n为垂直于速度方向的法向加速度；

步骤2：预测飞行器的剩余命中时间；

飞行器的剩余命中时间

可采用下式预测：

式中N_s>2表示导航比；

步骤3：定义攻击时间误差变量；

攻击时间误差变量定义为：

式中，t表示当前时间，T_d为期望的攻击时刻；

步骤4：给出连续切换的固定时间收敛攻击时间控制制导律；

为了使得ξ固定时间收敛，设计连续切换的固定时间收敛攻击时间控制制导律为：

式中ν为辅助变量，k为制导增益，μ₁和μ₂ 为正实数，且满足0<μ₁<1，μ₂>1，τ为切换因子，δ＞0为切换边界。

2.根据权利要求1所述的一种基于切换固定时间收敛理论的攻击时间控制制导方法，其特征在于：在步骤3中，若保证ξ＝0，则当t＝T_d时

由式(2)可知，此时r＝0，即飞行器在期望的攻击时刻T_d命中目标；因此，所设计攻击时间控制制导律应保证ξ在攻击时刻T_d前稳定收敛。

3.根据权利要求1所述的一种基于切换固定时间收敛理论的攻击时间控制制导方法，其特征在于：利用Matlab仿真平台进行验证，验证可切换固定时间收敛的攻击时间控制制导方法的有效性。

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