濾波技術在高超聲速大機動飛行器末制導中的應用.pdf

1、近幾十年來世界局勢的發(fā)展狀況,大體上可概括為“總體和平,局部戰(zhàn)爭”。作為一種新型作戰(zhàn)方式,導彈武器得到了世界各國的普遍關注。以下一代戰(zhàn)區(qū)彈道導彈(TheatreBallisticMissile,TBM)為代表的攻擊導彈飛行速度快,并具有大機動能力,對現有的攔截制導系統構成了巨大挑戰(zhàn)。深入研究如何對這類飛行器進行有效末制導,有利于我軍掌握未來戰(zhàn)爭的戰(zhàn)略制高點,并進一步保障國家領土完整和人民生命安全。
　　幾乎所有先進末制導律在設計時

2、,都需使用目標運動信息;然而很多情況下該信息不能通過測量元件直接獲取,必須從被噪聲污染的信號中進行在線估計,這就需要濾波技術的支持。濾波技術一直都是信號處理領域的研究熱點之一。對于一般的非線性、非高斯系統,最優(yōu)濾波問題沒有遞推顯式解。高超聲速飛行器末制導問題的彈目相對運動關系數學模型,很多情況下存在本質非線性和非高斯特征,且整個末制導過程具有很高的實時性要求;因而對這類問題,有必要研究估計精度高計算量適中的非線性制導濾波器。
　　

3、論文以下一代高超聲速TBM飛行器的末制導為課題背景,研究了存在未知信息的離散系統的建模和濾波問題;并針對此類目標的末制導中,確定性等價定理的失效問題,給出了一種解決方案并設計了基于Matlab的改進型軟件工具包進行了仿真驗證。具體來講,研究主要包括以下內容:
　　首先,從貝葉斯最優(yōu)估計理論出發(fā),研究了非線性和非高斯離散隨機系統的高斯逼近濾波技術。在線性高斯隨機系統的最優(yōu)濾波器—卡爾曼濾波算法(KalmanFilter,KF)的基礎

4、上,對非線性隨機函數的次優(yōu)高斯逼近方法進行了討論;根據噪聲混入系統的不同類型,針對帶有加性和隱含噪聲的非線性隨機系統,分別推導了兩類擴展卡爾曼濾波算法(ExtendedKalmanFilter,EKF)和無跡卡爾曼濾波算法(UnscentedKalmanFilter,UKF);引入輔助函數技術重構采樣點,增強了UKF算法在高維系統中實現上的數值魯棒性;對一類存在多種工作模式的混雜系統進行了研究,根據混雜系統的貝葉斯估計理論進行推導,研究

5、了兩類多模型算法原理和實現,較好解決了這類系統的狀態(tài)估計問題。
　　然后,研究了高超聲速大機動飛行器的跟蹤問題。針對此類問題在系統建模過程中通常存在的本質非線性和非高斯特征,采用成型濾波器模擬驗前未知信息;并采用中央差分算法逼近非線性函數,針對帶有加性和隱含噪聲的非線性隨機系統,分別推導了兩類中央差分濾波算法(CentralDifferenceKalmanFilter,CDKF);在CDKF的第二步濾波計算過程中引入迭代更新步驟,

6、推導了極大后驗估計意義下的一種改進型迭代中央差分濾波算法(ICDKF)。通過高超聲速大機動飛行器攔截中兩個典型的非線性估計問題,驗證了ICDKF算法同主流的EKF和UKF算法相比,具有更高的估計精度和更快的收斂速度并且計算量適中,因而更適于在實戰(zhàn)環(huán)境中處理這兩類跟蹤問題。
　　接著,通過一個仿真算例,討論了非線性濾波器按照噪聲混入系統的不同方式進行分類設計的必要性;進而提出了高斯次優(yōu)非線性濾波器的一種改進型結構設計方法。采用這種設

7、計方法,按照項目要求,研究了一種能夠解決部分高斯次優(yōu)非線性濾波器的一致性檢驗難題、并便于在仿真開始前修改模型參數和替換濾波算法、在仿真結束后執(zhí)行大量數據的統計處理的改進型濾波制導工具箱的設計方案。為科學評價兩種濾波器的估計效果,提出了一種濾波器改進型初始估方法和一種能夠從統計學角度比較兩種濾波器估計效果的假設檢驗判別法,并基于上述濾波制導工具箱進行了仿真驗證。
　　最后,以具有大機動能力的下一代高超聲速TBM為例,研究了如何對此類

8、飛行器進行有效攔截末制導,并給出了一種濾波制導一體化設計方案。將CDKF融入多模型算法(MultipleModelAdaptiveEstimation,MMAE),提出了一種多模型/中央差分算法(MMAE/CDKF)用于解決建模過程中存在未知信息的末制導系統的目標加速度檢測和估計問題;接著針對高超聲速飛行器末制導問題較高的實時性要求,考慮到傳統多模型濾波器過大的計算量在工控機上實現較為困難,在被攔截飛行器指令加速度為Bang-Bang類

9、型時,引入聚合、尺寸裁剪等技術手段對MMAE/CDKF算法進行簡化,提出了一種快速多模型/中央差分算法(fastMMAE/CDKF),在保障估計精度的同時降低了計算量;大量的仿真實驗證實了這兩種算法的有效性。為有效利用上述兩種算法對于目標加速度信息和彈目視線角信息估計性能的改善,更好地解決高超聲速大機動飛行器末制導中確定性等價定理的失效問題,分別采用上述兩種估計算法作為制導濾波器,提出了一種基于邏輯判斷的切換微分對策制導律DGL/N。這