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大气层外自旋稳定拦截器末制导控制研究

作　者: 周新耀
导　师: 王子才
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 拦截器自旋末制导脉冲发动机点火算法
分类号: V448.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

为了应对未来空间武器的威胁、适应动能拦截器技术的发展趋向、克服现有动能拦截器结构复杂与成本高的不足,美国从90年代起开始探索研究新一代动能拦截器。这种动能拦截器的突出特点是追求微小型化,比较典型的如“蜂群微型中段拦截器”和“谢弗”拦截器,用多拦截器应对多目标威胁。这种类型拦截器不需要惯性测量装置和姿控系统,而是将多个脉冲发动机沿弹身布置在质心周围,利用弹体自旋,将脉冲发动机旋转到所需的理想位置,产生控制力,实现快速变轨,在此过程中脉冲发动机产生的力矩作为扰动,通过自旋增强系统稳定性。由于脉冲发动机的快速响应,使得拦截器具有很高的制导精度,利用与目标高速接近并直接碰撞产生的巨大动能来完成对目标的摧毁。在这一背景下,本文研究了一种自旋稳定拦截器的末制导控制问题。首先,在考虑变质量后质心位置变化所产生的扰动力矩对拦截器姿态的干扰,以及弹体自旋运动对脉冲发动机推力方向影响的基础上,建立了自旋稳定拦截器六自由度数学模型。定义了研究自旋稳定拦截器所需要的坐标系,并且给出了相应的坐标转换关系;在此基础上给出了自旋稳定拦截器的数学模型,其中包括拦截器的质量变化方程、质心位置变化方程、转动惯量及转动惯量变化率方程、质心动力学方程、绕质心动力学方程、运动学方程、脉冲发动机等效推力及力矩模型等。其次,建立拦截器与目标的相对运动模型,并在此基础上设计导引控制律。通过研究脉冲发动机在不同点火方法下的算法实现,分析了不同点火算法的优势和缺陷,在此基础上设计出本文所采用的脉冲点火算法;利用指标函数进行寻优,得出最佳的点火位置并在此基础上给出脉冲发动机点火算法的实现过程。最后,设计了自旋稳定拦截器制导仿真平台。在仿真需求分析的基础上,设计仿真平台结构,基于VC++建立了自旋稳定拦截器的制导仿真平台,对拦截器制导过程进行仿真验证。仿真结果证明本文提出的自旋稳定拦截器的制导方法和脉冲发动机点火算法的正确性和有效性。本文的研究结果为大气层外自旋稳定拦截器末制导控制问题提供了解决方案,并且为相关问题的进一步研究奠定了基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 引言  10-12
  1.2 研究背景和意义  12-13
  1.3 研究现状  13-16
    1.3.1 微型拦截器技术的发展及现状  13-15
    1.3.2 制导方法的研究现状  15-16
    1.3.3 脉冲发动机点火算法的研究现状  16
  1.4 需要研究的问题  16-17
  1.5 研究的主要内容  17-19
第2章拦截器末制导控制数学模型  19-36
  2.1 引言  19
  2.2 相关坐标系及坐标转换关系  19-23
    2.2.1 坐标系定义  19-20
    2.2.2 坐标转换关系  20-23
  2.3 自旋稳定拦截器的数学模型  23-34
    2.3.1 拦截器质心动力学模型  23-24
    2.3.2 拦截器绕质心动力学模型  24-25
    2.3.3 拦截器运动学模型  25
    2.3.4 拦截器质量变化及质心位置模型  25-28
    2.3.5 拦截器重力模型  28-29
    2.3.6 拦截器转动惯量及转动惯量变化率模型  29-30
    2.3.7 拦截器脉冲发动机推力及推力力矩模型  30-33
    2.3.8 拦截器弹道倾角及弹道偏角模型  33-34
  2.4 目标运动模型  34-35
  2.5 本章小结  35-36
第3章拦截器末制导控制方法研究  36-60
  3.1 引言  36
  3.2 脉冲发动机布局设计  36-39
  3.3 拦截器与目标的相对运动模型  39-41
  3.4 拦截器视线角及视线角转率模型  41-44
    3.4.1 弹体系下视线角提取  41-42
    3.4.2 视线转率求取  42-44
  3.5 拦截器制导控制律设计  44-46
  3.6 拦截器点火逻辑研究  46-59
    3.6.1 已有的脉冲点火算法分析  47-51
    3.6.2 点火算法设计  51-59
  3.7 本章小结  59-60
第4章拦截器末制导仿真  60-68
  4.1 引言  60
  4.2 拦截器末制导仿真  60-67
    4.2.1 滤波参数选取  60-61
    4.2.2 奇数圈脉冲发动机非对称开启  61-65
    4.2.3 奇数圈脉冲发动机对称开启  65-67
  4.3 本章小结  67-68
第5章拦截器末制导仿真平台设计与实现  68-75
  5.1 引言  68
  5.2 拦截器末制导仿真平台设计  68-72
    5.2.1 拦截器末制导仿真平台的需求分析  68-69
    5.2.2 拦截器末制导控制仿真平台的结构设计  69
    5.2.3 拦截器末制导仿真平台设计机理  69-72
  5.3 拦截器制导控制仿真平台的实现  72-74
  5.4 本章小结  74-75
结论  75-76
参考文献  76-80
攻读学位期间发表的学术论文  80-82
致谢  82

大气层外自旋稳定拦截器末制导控制研究

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