一种基于速度调节的滑翔式高超声速飞行器编队控制方法

【】本发明涉及滑翔式高超声速飞行器编队控制方法，尤其涉及一种基于速度调节的滑翔式高超声速飞行器编队控制方法。

背景技术

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背景技术：

1、“高超声速”这个概念在1945年由钱学森先生提出，所谓高超声速飞行器即飞行速度超过5马赫的飞机、导弹等。高超声速飞行器的主要特点有飞行速度快，可在两个小时实现全球范围的侦察打击，射程远，威力大，并且很难被雷达发现，其还有很强的突防能力强，面对敌方拦截，可以迅速突防，打击核心目标。高超声速飞行器广泛应用在军事领域，前景广阔，是国内外争相研究的重点。滑翔式高超声速飞行器控制技术研究相对成熟，并且世界军事强国均已完成对高超声速滑翔导弹的战略装备。

2、随着高超声速飞行器的发展，一些国家意识到其威胁，开始对远程探测预警、全弹道拦截、高新防御武器进行开发试验，与此同时，随着防御拦截技术的发展，当前高超声速飞行器“独狼”战术的突防能力被大大削弱。多高超声速飞行器组成编队系统，在军事战争中通过信息交互，共同协作完成目标搜索、突防等作战任务，增加对目标的打击能力，与此同时飞行器之间相互掩护，进一步增强核心目标的命中概率，所以高超声速飞行器的编队协同控制研究对于未来军事战争具有重大意义。当前使用高超声速飞行器拦截敌方高超声速飞行器的技术仍然处于方案试验中，由于高超声速飞行器速度快、机动能力强，很难实现对敌方高超声速飞行器轨迹的精准预测，使用单个高超声速飞行器去拦截具有一定的难度，所以将多高超声速飞行器进行编队后对敌方高超声速飞行器进行拦截，进一步增大命中概率。

3、在滑翔式高超声速飞行器编队协同控制研究领域，目前尚存在以下挑战：1.滑翔式高超声速飞行器再入段中没有速度闭环控制系统，对多飞行器编队控制造成一定困难；2.现有技术中，导弹、无人机等编队控制研究较多，但是都不适用于高超声速飞行器。基于上分析，本发明提出了一种基于速度调节的滑翔式高超声速飞行器编队控制方法，以实现较小误差范围的多滑翔式高超声速飞行器编队。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、有鉴于此，本发明提出了一种基于速度调节的滑翔式高超声速飞行器编队控制方法，以实现较小误差范围的多滑翔式高超声速飞行器编队。

2、本发明提出了一种基于速度调节的滑翔式高超声速飞行器编队控制方法，包括如下步骤：

3、步骤一：构建滑翔式高超声速飞行器再入段三自由度动力学模型，具体为：

4、在考虑地球是一个均匀的圆球，并忽略地球自转的条件下，得到的滑翔式高超声速飞行器再入段三自由度模型如下：

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6、r表示飞行器质心到地球球心的距离；

7、表示飞行器所处的纬度；

8、λ表示飞行器所处的经度；

9、v表示飞行器的速度；

10、χ表示飞行器的弹道偏角；

11、γ表示飞行器的弹道倾角；

12、m表示飞行器的质量；

13、g0表示重力加速度；

14、μ表示飞行器的倾侧角；

15、d表示飞行器所受到的空气阻力，ρ表示大气密度，cd表示空气阻力系数，s表示飞行器的翼展面积；

16、l表示飞行器所受到的空气升力，cl表示空气升力系数；

17、步骤二：构建滑翔式高超声速飞行器速度调节控制方案，具体为：

18、基于步骤一中提出的三自由度动力学模型，设计基于在线预测的纵向机动滑翔式高超声速飞行器速度调节方案，设置虚拟目标作为飞行器调速的参考节点，速度调节方案包含三个阶段：根据虚拟目标进行飞行器轨迹下拉，飞行器速度快速下降，并进行速度的在线预测，所述α(t)＝max{αmin,α0-kα,maxt}为此阶段攻角控制律；飞行器达到预期下降高度，开始上拉飞行器轨迹，控制飞行器高度，所述α(t)＝min{αmax,α0+kα,maxt}为此阶段攻角控制律；达到预期高度和速度后，控制飞行器平飞，所述为此阶段攻角控制律；

19、t表示飞行器飞行时间；

20、αmin表示飞行器所能到达的最小攻角；

21、αmax表示飞行器所能到达的最大攻角；

22、kα,max表示飞行器最大的攻角变化率；

23、γexpect表示期望的飞行器弹道倾角；

24、γ(t)表示飞行器在t时刻的弹道倾角；

25、kp、ki、kd表示比例系数；

26、步骤三：构建多滑翔式高超声速飞行器编队控制模型，具体为：

27、基于步骤一中，滑翔式高超声速飞行器再入段中无速度闭环控制系统，在地球某一点建立飞行器发射坐标系，建立的多飞行编队控制模型如下：

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32、

33、

34、所述x1i为领弹和从弹i在x方向的相对位置距离；

35、所述x2i为领弹和从弹i在x方向的相对位置距离变化率；

36、所述x3i为领弹和从弹i在y方向的相对位置距离变；

37、所述x4i为领弹和从弹i在y方向的相对位置距离变化率；

38、所述x5i为领弹和从弹i在z方向的相对位置距离；

39、所述x6i为领弹和从弹i在z方向的相对位置距离变化率；

40、所述为推导编队控制模型的飞行参数；

41、所述为推导编队控制模型的飞行参数；

42、所述为推导编队控制模型的飞行参数；

43、所述为推导编队控制模型的飞行参数；

44、所述为推导编队控制模型的飞行参数；

45、所述为推导编队控制模型的飞行参数；

46、所述为推导编队控制模型的飞行参数；

47、所述

48、为推导编队控制模型的飞行参数；

49、所述为推导编队控制模型的飞行参数；

50、所述为推导编队控制模型的飞行参数；

51、所述为推导编队控制模型的飞行参数；

52、所述为推导编队控制模型的飞行参数；

53、所述u1i＝adyfi为编队控制模型输入；

54、所述u2i＝adzfi为编队控制模型输入；

55、adxl表示领弹在速度通道的加速度；

56、adyl表示领弹在俯仰通道的加速度；

57、adzl表示领弹在偏航通道的加速度；

58、adxfi表示从弹i在速度通道的加速度；

59、adyfi表示从弹i在俯仰通道的加速度；

60、adzfi表示从弹i在偏航通道的加速度；

61、表示领弹所处的纬度；

62、λl表示领弹所处的经度；

63、vl表示领弹的速度；

64、χl表示领弹的弹道偏角；

65、γl表示领弹的弹道倾角；

66、表示从弹i所处的纬度；

67、λfi表示从弹i所处的经度；

68、vfi表示从弹i的速度；

69、χfi表示从弹i的弹道偏角；

70、γfi表示从弹i的弹道倾角；

71、步骤四：构建多滑翔式高超声速飞行器编队控制方案，具体为：

72、基于步骤三得到的多飞行编队控制模型，设计编队控制器如下：

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74、表示从弹i编队控制输入矩阵；

75、表示从弹i俯仰通道控制指令；

76、表示从弹i偏航通道控制指令；

77、k1i和k2i表示从弹i编队控制参数；

78、所述为领弹和从弹i的相对位置误差，表示相对位置误差的导数；

79、所述为编队控制模型飞行参数，ai-1表示ai的逆；

80、所述为编队控制模型飞行参数；

81、所述为编队控制模型飞行参数；

82、由于滑翔式高超声速飞行器没有速度闭环控制系统，并且此时多飞行器的速度具有一定差距，所以仅依靠上述控制器难以维持现有队形，需要充分考虑弹间距控制、编队保持以及编队避障三个问题：

83、弹间距控制：通过上述控制器实现多飞行器编队的过程中，需要充分考虑弹间距约束，包含两个部分：首先，是各从弹必须在领弹的通信范围内，合理的设置飞行器的初始位置、飞行器最终的编队队形，此参数不可以大于领弹的最大通信半径，在控制多飞行器形成编队过程中，领弹在检测到从弹位于最大通信范围边缘，可以通过步骤二速度调节方案减速，缩短与从弹的距离；其次，各飞行器在形成编队的过程中，其间距不能过小，防止产生碰撞，当飞行器检测到最小间距边缘有障碍飞行器，并有碰撞风险，利用人工势场的思想，驱使飞行器侧向机动绕开障碍飞行器；

84、编队保持：仅依靠上述编队控制器，多飞行器形成编队会有较大误差，需要结合步骤二速度调节方案进一步减小误差。首先使用上述控制器控制多飞行器快速形成预期队形；执行步骤二速度调节方案，实现多飞行器速度协同一致；最后使用上述编队控制器实现误差范围内的编队飞行；

85、编队避障：一般飞行环境中，会存在禁飞区，所以在编队飞行过程中需要考虑禁飞区规避问题。禁飞区半径有几百公里，飞行器单独避障会严重破坏编队队形，所以将多飞行器考虑成一个整体，从弹跟随领弹整体侧向机动避障实现编队避障功能，领弹在进行路径规划时，依据编队队形扩大禁飞区的半径，从而保证从弹均可以实现禁飞区规避。

86、由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

87、本发明实施的技术方案中，采用基于在线预测的纵向机动速度调节方案，设计编队控制模型与编队控制器，结合飞行器的速度调节，实现可接受误差范围内的编队控制，在此过程中，充分考虑了弹间距约束问题，给出详细的解决方案，实现弹间距控制，最后考虑了编队避障问题，多飞行器可以成功绕开禁飞区，实现编队避障功能。