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SCI論文丨嚴格輸入約束下的三維魯棒非線性時空協同制導律
一、基本信息：
單位：北京航空航天大學
期刊：Aeronautical Journal
影響因子：1.4
二、論文內容簡介
針對嚴格輸入約束以及推力器故障條件下多導彈協同攔截機動目標的問題，提出了一種三維魯棒非線性時空協同制導律。利用有限時間收斂理論設計了分布式非線性滑模制導律，保證系統在有限時間內收斂，收斂時間上限與系統初始狀態有關，采用非線性滑模面解決了初始階段制導指令過大的問題。同時，考慮推力器故障，進一步設計了魯棒協同制導律，通過重構制導律確保任務的可靠完成。基于李雅普諾夫理論證明了閉環系統的穩定性，分析了超參數對協同制導律的影響。數值仿真與硬件在環實驗結果證明了所提算法在處理嚴格輸入飽和約束和各種擾動時的有效性和魯棒性。
三、研究背景
多枚導彈從不同方向同時到達目標區域能夠顯著增加突防概率并提升打擊效果。由于多導彈協同作戰時間窗口較短，為了提升制導律的收斂速度，學者們提出了有限時間收斂制導律、固定時間收斂制導律以及預定時間收斂制導律等。但是這些協同制導律普遍存在制導初期制導指令過大的問題，使系統長時間處于飽和狀態，降低了系統的抗干擾能力。
此外，在復雜的戰場環境下，如果協同系統中的某些導彈發生故障，故障信號會通過通訊網絡傳播，造成協同任務失敗。因此，考慮導彈故障情況，實現多導彈的可靠協同制導，對提高協同系統的可靠性至關重要。
四、創新內容與工程應用價值
針對多導彈時空協同打擊過程中，可用時間短導致的對一致性算法收斂快速性要求高，制導初期指令過大以及個體故障會通過通訊網絡在協同系統中傳播的問題，提出了三維可靠非線性時空協同制導律。基于有限時間滑模制導律，設計了非線性滑模面，有效解決了制導初始階段指令過大且長時間處于飽和狀態的問題。
仿真結果表明，在相同收斂速度和制導精度條件下，所提非線性滑模制導律的指令上限僅為線性滑模制導律的33%，且指令飽和時間顯著縮短。進一步構建了可靠非線性時空協同制導律。通過將完全分布式協同制導律切換為“領導者-跟隨者”融合式制導律，確保協同系統在某一導彈發生故障時仍能高效運行。結果表明所提制導律能夠顯著降低對控制資源的需求，有效應對導彈推力器故障問題，具有較強的自適應性和工程實用性。
五、基于靈思創奇設備應用價值
在實際飛行測試之前，開展硬件在環仿真試驗是發現潛在問題的有效手段。硬件在環試驗能夠在實際硬件上驗證飛行器的制導控制系統，通過將傳感器、執行器等硬件組件與飛控計算機連接，進一步評估制導控制系統的性能是否滿足設計要求。此外，通過將數學模型與實際硬件集成，可以對比硬件運行結果與數值仿真結果的一致性，從而識別數值模型的偏差或不足。
硬件在環仿真試驗結果表明，該算法具有較強的魯棒性，能夠在實際硬件環境中保持良好的性能，即使面對硬件系統中可能存在的系統誤差和延遲，仍能實現預期結果。此外，算法的設計滿足計算實時性要求，計算負載較低，適合在實際硬件平臺上運行。
