反舰导弹具有末端碰撞角约束的末制导方法研究

摘要

反舰导弹是未来战争的必备武器之一,它以在初、中制导段可以进行掠海飞行,进而有效隐藏行迹,越来越受到全球几大军事强国的关注。进入21世纪以后,世界上但凡有一定经济实力的国家无不在大力发展舰船,组建海面舰队,甚至航空母舰编队。因此,为了在未来战争中可以最大限度地反制海上大型舰艇编队,对反舰导弹的研究就变得极为必要。反舰导弹不仅要能够精确命中目标,还要以最佳姿态命中目标的关键部位,做到一击毙命。因此,本文以反舰导弹为研究目标,在过载、脱靶量和末端碰撞角三个约束下设计反舰导弹的末制导律。主要内容如下:
　　首先,本文根据空气动力学和理论力学相关原理,结合反舰导弹特点和运动规律建立了导弹运动的数学模型;根据海面舰艇的运动特点,给出了目标运动的数学模型;此外,在该部分中为了给后续末制导方法的研究工作做准备,还简要介绍了非线性控制理论中关于滑动模态变结构控制和反演设计方法的基础理论知识。
　　其次,本文根据反舰导弹击中目标时刻的姿态约束定义了末端碰撞角,给出了具有末端碰撞角约束的情况下导弹能够命中目标的充分条件,并推导了期望末端碰撞角与期望目标视线角之间的关系。另外,由于经典导引规律中比例导引律是应用最广泛最成熟的导引规律,故根据约束要求设计出了偏置比例导引律。
　　再次,本文考虑到处理制导问题时传统方法的不足和非线性控制理论中各种控制方法自身所具有的优点,确定采用滑动模态变结构控制理论和反演设计方法来解决反舰导弹多约束末制导问题,并利用相关理论设计了滑动模态变结构导引律和反演导引律,并在理论上分析了这两种导引律的可行性。
　　最后,为了对本文设计的导引律进行仿真检验,本文基于传统的PID控制器设计方法设计了反舰导弹的三通道姿态控制器;并进行了反舰导弹的全弹道仿真,分析了导弹在整个运动过程的运动状态,证明了文中导引律的有效性。另外,本文还分析了导引头测量误差和风干扰这两个影响制导精度的重要因素。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 研究的目的及意义

1.2 反舰导弹研究现状

1.3 末制导技术研究现状

1.3.1 末制导段导引规律概述

1.3.2 具有末端碰撞角约束的末制导方法研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 数学模型及预备知识

2.1 引言

2.2 常用坐标系和坐标转换矩阵

2.2.1 常用坐标系

2.2.2 坐标转换矩阵

2.3 反舰导弹所受力和力矩分析

2.3.1 空气动力

2.3.2 空气动力矩

2.3.3 推力

2.3.4 重力

2.4 导弹运动方程组

2.4.1 导弹质心运动的动力学方程组

2.4.2 导弹运动的过载方程组

2.4.3 导弹绕质心转动的动力学方程组

2.4.4 导弹质心运动的运动学方程组

2.4.5 导弹绕质心转动的运动学方程组

2.4.6 几何关系方程

2.5 目标运动模型

2.5.1 目标质心运动的动力学方程组

2.5.2 目标质心运动的运动学方程组

2.5.3 目标运动参数设定

2.6 滑动模态变结构控制理论基础

2.6.1 滑动模态变结构系统的定义

2.6.2 滑动模态的存在条件

2.6.3 系统设计问题

2.6.4 不变性和抖振问题

2.7 反演设计方法基础

2.7.1 反演设计方法基本思想

2.7.2 反演设计方法

2.8 本章小结

第3章 偏置比例导引律设计

3.1 引言

3.2 制导问题描述

3.2.1 导弹与目标相对运动方程

3.2.2 具有末端碰撞角约束的制导问题描述

3.3 具有末端碰撞角约束的末制导模型

3.4 偏置比例导引律设计

3.4.1 偏置比例导引律描述

3.4.2 偏置比例导引律设计

3.5 本章小结

第4章 基于非线性控制理论的制导律设计

4.1 引言

4.2 基于滑模变结构控制理论的制导律设计

4.2.1 滑模变结构制导律设计

4.2.2 滑模变结构制导律参数选择

4.3 基于反演设计方法的制导律设计

4.3.1 反演制导律设计

4.3.2 反演制导律分析

4.4 剩余飞行时间的估计

4.5 本章小结

第5章 反舰导弹多约束末制导律仿真分析

5.1 引言

5.2 导引控制指令的生成

5.3 反舰导弹控制系统设计

5.3.1 俯仰通道设计

5.3.2 偏航通道设计

5.3.3 滚转通道设计

5.3.4 协调回路设计

5.4 反舰导弹多约束末制导方法仿真分析

5.4.1 初始参数设定

5.4.2 导弹飞行速度分析

5.4.3 导弹飞行弹道分析

5.4.4 导弹飞行姿态分析

5.4.5 导弹运动过载分析

5.4.6 反舰导弹多约束末制导方法对比分析

5.5 导引头测量误差的影响分析

5.6 风干扰分析

5.6.1 纵风的影响分析

5.6.2 侧风的影响分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢