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拦截战术弹道导弹末段导引和复合控制研究

作　者: 程凤舟
导　师: 陈士橹；于本水
学　校: 西北工业大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 拦截弹战术弹道导弹干扰放大因子复合控制导引律仿真
分类号: TJ761.1
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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内容摘要

本文主要研究拦截弹在拦截战术弹道导弹时，末段的制导和侧向力控制问题，包括大气层外动能拦截器在姿控与轨控发动机作用下的性能分析，和大气层内侧向力与气动力复合控制研究。研究内容及成果主要表现在以下几个方面： (一)大气层外动能拦截器分析首先建立了动能拦截器运动学和动力学模型，以及轨控发动机和姿控发动机的推力模型，提出了拦截导引律的实现方法及轨控和姿控发动机的控制规律。在此基础上进行了动能拦截器拦截过程仿真，验证了动能拦截器能够直接碰撞命中弹道导弹的结论，并详细分析了在不同相对距离的初始条件下，航向误差对拦截性能的影响。 (二)大气层内复合控制问题 1．确定拦截弹模型。首先根据拦截任务的特点来确定拦截导弹的总体方案，包括导弹的气动布局，控制方式等。然后以基本满足方案要求的某型防空导弹为基础，对其几何尺寸、发动机等分系统进行改进，并通过分析导弹性能与侧喷发动机参数之间的关系，增加了姿控或轨控侧向装置，这样得到了本文的研究工作所需的导弹模型。 2．根据大量参考文献的结论，分析了侧向喷流射入拦截弹外流的流场特征，以干扰放大因子来描述干扰效应对力和力矩的影响，给出了放大因子的计算方法，进一步建立了喷流侧向力和空气动力作用下的导弹运动学和动力学模型。 3．设计气动力与侧向轨控直接力的复合控制系统。设计的轨控直接力作用于俯仰和偏航通道，而滚转通道没有直接力系统的作用，依靠气动舵面的偏转对滚转角进行稳定。复合控制采用对制导指令进行前向分解的方法，将复合控制系统分为两个并行的子系统，即气动力控制子系统和直接力控制子系统。采用古典控制理论来设计气动力控制系统，包括具有角速度反馈的稳定内回路、跟踪制导指令的外回路以及各校正环节的设计。仿真结果显示，复合控制系统的可用过载和动态性能都有明显提高。 4．为了解决拦截弹气动参数随飞行高度、速度、姿态的不同，变化范围大，控制系统难以准确建模的困难，基于纵向平面拦截弹模型，采用模型参考变结构控制理论设计了俯仰通道姿控复合控制系统，以可测量变量过载和角速度作为状态量建立了系统的状态方程，讨论了参考模型的选择方法，并对系统的性能作了仿真分析。 5．针对拦截战术弹道导弹这一特殊任务，分析了导引律设计面临的新问题，提出了以预测拦截命中点为思想的中制导段导引方法，研究了末制导段比例导引律弹道形状和过载分布特点，在此基础上为了改善比例导引律的缺陷，引入了目摘‘要标机动加速度和导弹轴向加速度等信息、，又寸比例导引律进行了修正，井对导引律中各参数进行了优化。采用质点弹道仿真的方法对经典比例导引律和本文提出的修爪比例导引律的性能进行了仿真分析，结果表明修正比例导引律的过载分响;合理，利于中末制导顺利交班，!衍且形式简单，具有实工}J价值。 6.在以上内容的基础上，建立了拦截弹末制导有关的六自}扫度数学模型和仿真模型，对不同初始条件F栏截飞机和战术弹道一导弹进行了数字仿真，分析了拦截.高速弹头时弹适的新特点，夕手采用蒙特卡洛法分析了不同误差因素作用卜的制导精度。结果表明，设计的复合控制系统较纯气动力控制系统性能有所提高，能够拦截中等再入速度的.f浅术弹道导弹弹头。

全文目录

第一章绪论  11-21
  1.1 引言  11-14
    1.1.1 防空系统的现状和发展  11-14
  1.2 复合控制问题  14-17
  1.3 国内外研究现状  17-18
  1.4 本文所做的工作  18-21
第二章大气层外动能拦截器末制导分析  21-32
  2.1 动能拦截器介绍  21-27
    2.1.1 拦截器模型  21-22
    2.1.2 目标运动方程组  22
    2.1.3 发动机模型  22-24
    2.1.4 末制导六自由度模型  24-25
    2.1.5 导引律及其实现  25-26
    2.1.6 姿态控制规律  26-27
  2.2 末制导仿真与分析  27-32
第三章大气层内具有侧喷的导弹模型  32-48
  3.1 拦截导弹模型  32-37
    3.1.1 控制方式选择  33
    3.1.2 气动布局选择  33-34
    3.1.3 外形尺寸确定  34-36
    3.1.4 主发动机参数  36-37
  3.2 侧向喷流现象及建模  37-44
    3.2.1 喷流现象分析  38-41
    3.2.2 弹总体对侧喷系统要求  41-42
    3.2.3 推力放大因子估算  42-43
    3.2.4 力矩放大因子的估算  43-44
  3.3 具有侧喷的导弹模型  44-48
第四章轨控直接力与气动力复合控制  48-65
  4.1 复合控制模型  49-50
  4.2 指令分解方法  50-52
  4.3 气动力控制子系统设计  52-58
    4.3.1 气动力控制子系统设计分析  52-57
    4.3.2 气动子系统性能分析  57-58
  4.4 直接力控制子系统设计分析  58-59
    4.4.1 直接力子系统性能分析  58-59
  4.5 复合控制结果与分析  59-65
第五章变结构姿控复合系统设计  65-81
  5.1 引言  65
  5.2 变结构控制原理  65-70
  5.3 姿控复合控制设计  70-77
    5.3.1 纵向状态方程  70-71
    5.3.2 状态方程推导  71-72
    5.3.3 参考模型选择  72-73
    5.3.4 自动驾驶仪设计  73-77
  5.4 系统仿真分析  77-81
    5.4.1 仿真分析  78-81
第六章拦截导引律分析  81-111
  6.1 引言  81
  6.2 目标模型  81-86
    6.2.1 目标运动方程  82-84
    6.2.2 弹道系数的估算  84-85
    6.2.3 弹道仿真与结果分析  85-86
  6.3 导引方法  86-87
  6.4 预测命中点导引  87-89
    6.4.1 导引过程算法  88
    6.4.2 弹道仿真与结论  88-89
  6.5 末制导最优导引律  89-94
  6.6 比例导引及其修正形式  94-111
    6.6.1 古典比例导引拦截弹头弹道分析  95-96
    6.6.2 比例导引影响因素分析  96-101
    6.6.3 比例导引的改进与仿真  101-111
第七章复合控制末制导六自由度仿真及精度分析  111-143
  7.1 仿真方法与仿真建模  111-114
    7.1.1 仿真方法选择  112-113
    7.1.2 建模与校模  113-114
  7.2 六自由度仿真模型  114-117
    7.2.1 地球模型  114
    7.2.2 大气模型  114
    7.2.3 发动机模型  114
    7.2.4 自动驾驶仪模型  114-117
    7.2.5 其它仿真模型  117
  7.3 仿真程序的编写  117
  7.4 仿真过程与结论  117-120
    7.4.1 独立回路仿真  117-118
    7.4.2 末制导六自由度仿真  118-120
  7.5 末制导精度分析  120-143
    7.5.1 模拟打靶方法  121-122
    7.5.2 误差模型  122-123
    7.5.3 模拟打靶结果  123-143
第八章结束语  143-145
致谢  145-146
作者在攻读博士学位期间发表论文  146-147
参考文献  147-153

拦截战术弹道导弹末段导引和复合控制研究

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