制导炮弹弹道规划与制导方法研究

发布时间：2020-06-30 01:57

【摘要】：精确制导武器在现代战争中地位逐渐提高,这也预示着未来武器发展的方向就是发展精确制导武器。滑翔增程式制导炮弹具有威力大、射程远、高精度、低成本等特点,因此具有极高的研究价值和作战应用价值。本文以制导炮弹滑翔增程弹道规划以及实现为课题背景,利用Gauss伪谱法(GPM)设计出滑翔增程方案弹道,研究带有扰动的跟踪制导律对方案弹道进行跟踪,并研究考虑终端大落角打击的制导律,完成制导炮弹由发射到精准打击目标的滑翔增程弹道的设计与实现。本文主要研究内容如下:首先,阐述课题背景和研究的目的及意义,并对制导炮弹的国内外研究概况,以及弹道规划、弹道跟踪控制和带落角约束的制导律等研究领域的国内外研究概况进行简要分析。为便于后面控制器的设计及数值仿真,首先介绍制导炮弹坐标系定义和相互之间的转化关系,由于课题对制导炮弹的整体弹道问题进行研究,所以根据制导炮弹自身的特点和具体飞行阶段建立准确的三维质心数学模型,随后介绍制导模型以及相关计算关系。根据参考数据,进行插值拟合,得到根据不同输入的具体气动参数。最后简要介绍滑模控制(SMC)的基本原理。其次,基于三维平面的制导炮弹质点弹道模型,结合约束条件与射程最大化的目标函数,建立了增程弹道规划模型。介绍了Gauss伪谱法的基本原理及其特点,然后阐述了GPM如何将连续的动态优化问题转化为离散的优化问题。将GPM和序列二次规划方法相结合的优化算法,求解制导炮弹增程方案弹道。仿真时以不同出炮口发射速度和不同发射角度为初始条件,以射程最大化为性能指标函数,给出不同情形的仿真结果。最后选择一组射程最远的优化弹道作为后续跟踪的方案弹道。再次,利用高斯伪谱法得到了纵向平面射程最大的三维优化弹道。将设计相应的鲁棒跟踪制导律对之前得到的三维优化弹道进行跟踪。对含有六个状态的制导炮弹质心控制系统简化为纵向和侧向两个子系统,利用反馈线性化控制简化后的控制系统写成了一般非线性二阶系统的形式,并给出直接控制量与虚拟控制量之间的转换关系。然后针对简化后的系统,设计滑模面,针对扰动上界已知的情况,设计一个跟踪控制器,实现对弹道指令的跟踪。由于实际过程中,扰动上界很难获得,所以针对扰动上界未知的情况,设计了一个基于自适应的跟踪控制器。以上两种方法均要给出稳定性证明,并通过数字仿真进一步证明控制器的有效性,针对仿真结果,对所设计的控制器性能进行简要分析。最后,对于末制导阶段首先建立考虑一阶自动驾驶仪动态延迟的三维制导模型。针对目标加上界未知的情形,设计了基于自适应的,具有攻击角约束和动态延迟特性的三维积分滑模制导律,并通过Lyapunov稳定性理论,证明了系统的稳定性。为进一步验证所设计控制器的有效性,给定符合实际的初始条件进行数字仿真,针对仿真结果进行简要分析。最后将之前所设计的方法整合一起,进行含有炮弹上升段,滑翔增程弹道段和末制导段的弹道整体实现。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ413.6
【图文】：

结构图,制导炮弹,结构图,铜斑蛇

究价值和作战应用价值。内外研究概况制导炮弹的研究概况导炮弹起初由美国和前苏联两个国家在上个世纪 70 年代着手研制，期装备于陆军，制导炮弹在两个国家的军队装备之后，法国、德国、意大国家也引起高度重视，也纷纷开展这种新型武器的研制[4]。导炮弹的发展基本可以归纳为两个阶段。最初制导炮弹的成品最具代美国的“铜斑蛇”和前苏联的“红土地”。“铜斑蛇”为 155mm 口径炮围为 4~20km，命中率 0.8~0.9，圆概率误差为 0.4~0.9m。由于“铜斑蛇地”制导炮弹为同一时代产品，所以有很多相似之处，主要区别是“用了单通道控制，简化了弹上控制设备，降低了很多成本。“红土地”三位气动舵控制，因而比“铜斑蛇”的机动性要好，为产生更好的杀土地”在制导方面采用了过重补偿措施，图 1-2 为“红土地”制导炮

纵向平面,几何构型,制导炮弹,打击目标

2 2 2cosTr Mrr rq rq q a a 22 sin cosT Mrq rq rq q q a a cos 2 cos 2 sinT Mq rq q rq q q a a T , ]M Ma a 和T[ , , ]T Tr T Ta a a a 分别为投影目标加速度矢量。的就是要设计制导炮弹的法向过载，保证行接近原理精准打击目标。因此本次制导Ma ，使得纵向视线角速率q 和侧向视线角在打击目标的末制导过程的最后一刻，炮就是速度方向角的差值。制导炮弹末制导是指炮弹在保证精准击中目标时同时而且于纵向平面打击效果几何构型来对制导炮

【参考文献】