小型无人机载制导炸弹最优轨迹与精确制导技术研究

发布时间：2020-06-15 21:06

【摘要】：本文以小型无人机载制导炸弹研制需求为背景,紧密结合国内外小型无人机载制导炸弹最优轨迹与精确制导技术发展现状和发展趋势,深入研究了小型无人机载制导炸弹的最优轨迹、近似最优滑翔制导方法、具有导引头视场角约束和落角等约束的多约束最优制导律、全捷联导引头精确制导技术等核心问题,研究结果可为我国小型无人机载制导炸弹的改进和新型号研制提供理论依据和技术基础。针对小型无人机载制导炸弹最优弹道设计问题,建立了制导炸弹弹道优化的数学模型并给出了相应的约束条件及最优解的一阶必要条件;利用hp-Radau伪谱法得到了低速小型制导炸弹、大升阻比滑翔制导炸弹、小型高空超音速制导炸弹的最优弹道,结合最优轨迹特点和弹道任务,给出了相应的最优弹道方案。针对最优轨迹工程实现问题,提出了一种最优轨迹跟踪的非线性跟踪制导方法并进行了仿真验证。针对小型大升阻比远程滑翔制导炸弹最优滑翔问题,利用平衡滑翔条件,推导了平衡滑翔下弹道参数之间的关系表达式,得到了常升阻比下平衡滑翔的弹道解析解,证明了升阻最大时滑翔距离最远,给出了基于能量高度的滑翔距离估计方法。利用气动参数不随马赫数变化的假设,将常升阻比滑翔等价为等动压滑翔,并推导了等动压滑翔弹道参数关系式,得到了滑翔动压与升阻比之间的表达式,提出了将最大升阻比飞行转换为保持最大升阻比动压飞行的制导方法,并给出了最大升阻比动压曲线的计算方法,利用等动压滑翔下弹道倾角与动压之间的关系式,提出利用弹道倾角间接控制滑翔动压的方法。仿真结果表明,近似最优滑翔制导方法得到的滑翔弹道与最优弹道十分接近,误差小于5%。针对滑翔弹道中末制导交接点的设计问题,提出了末制导最小机动弹道和初始过载连续弹道机动点的在线自适应计算方法并进行了仿真验证,该方法可以根据飞行状态和末端约束条件在线计算中末交接点位置。针对采用大落角制导律时易出现导引头跟踪误差角大于其视场角而丢失目标的问题,推导了导引头跟踪误差角的收敛条件,在此基础上给出了两种考虑导引头视场角约束和落角约束的制导策略。基于小角假设,建立了导引头跟踪误差角的状态方程,以剩余飞行时间的幂函数为目标函数的权函数,利用含状态约束的最优控制问题求解方法,得到了含导引头视场角约束和末端位置、角度、过载约束的多约束最优制导律。利用弹目运动关系方程,推导了采用单一弹道成型制导律时导引头跟踪误差角的解析表达式,给出了一种基于弹道成型制导律的满足导引头视场角约束和落角约束的制导方法并进行了仿真验证。针对全捷联导引头工程应用问题,推导了视线角解耦算法,建立了视线角速度估计模型,提出基于强跟踪容积卡尔曼滤波(STFCKF)的视线角速度估计方法,典型条件下蒙特卡洛打靶法结果表明,该算法可以满足小型制导炸弹命中精度要求;分析了捷联导引制导信号延时产生隔离度的原因及隔离度大小,提出了在制导信号数据帧中增加时间标记的方法,使主控机可以利用同一时刻导引头信号和惯导信号,从而消除信号延时产生的隔离度并进行了数学仿真和半实物仿真验证;建立了导引头捕获域模型,基于弹道倾角不变假设,得到了导引头捕获域的解析表达式并进行了仿真验证。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ414;V279
【图文】：

（a）GBU-39/B (b) GBU-53/B图 1.1 SDB 制导炸弹2）“手术刀”（SCALPEL）制导炸弹“手术刀”制导炸弹重 45.5kg，长 1.9m，弹径 0.1m。是由美国洛克希德 马丁公司导弹与火控系统分部在宝石路-II 增强型激光制导训练弹（E-LGTR）基础上研制的小型激光制导炸弹，用以解决无人机在临近的空中支援和城市作战中减小附带损伤的需求。该制导炸弹采用半主动激光制导，在导引头上增加了线性搜索器，将制导炸弹的命中精度提高至 2m（CEP），用于打击地面固定或慢速移动目标，2007 年开始研制，2008 年 6 月完成了首次投放试验，2010 年，美国海军开始订购“手术刀”制导炸弹，其可挂载于美国海军 AV-8B、F／A-18 等有人驾驶战机及美国海军“捕食者”C等大中型无人机。

北京理工大学博士学位论文和改进型(GBU-44/E)，均采用半主动激光导引头、碰炸型高爆战斗部，命中精度CEP<1m，可用于打击地面固定或慢速移动目标（<40km/h）。改进型(GBU-44/E)增加了 GPS /INS 制导系统，具有 360°全向攻击能力，最大射程达到 10 km 以上。此外该制导炸弹还具有自毁功能，避免了城市作战中留下未爆弹[9]。图 1.3 给出了蝰蛇打击制导炸弹外型及组成示意图，图 1.4 给出蝰蛇打击作战示意图。该制导炸弹 2002 年开始研制，2004 年完成基本型实弹靶试，2007 年首次用于实战，2008 年完成改进型制投放试验，目前改进型(GBU-44/E)已装备部队。

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本文编号：2714996