一种基于高阶滑模扩张状态观测器的机动目标攻击角约束制导方法

本发明属于飞行器制导控制，尤其涉及一种基于高阶滑模扩张状态观测器的机动目标攻击角约束制导方法。

背景技术：

1、随着精确制导技术和现代防御体系的发展，导弹末制导任务已经由传统的准确命中目标，逐渐转向按照期望末端状态精确命中目标。对于加固目标、装甲目标、舰船目标以及具有方向性防护能力的目标，导弹需要以特定攻击角进入目标，以提高战斗部能量利用效率和毁伤效果。

2、现有攻击角约束制导方法通常通过虚拟目标、剩余飞行时间估计、变增益制导、固定时间误差动力学等方式实现末端角度控制。上述方法在静止目标或弱机动目标情形下能够取得较好效果，但在目标具有较强未知机动时，目标加速度和模型不确定性会直接影响视线角速率动态，进而降低末端攻击角控制精度。

3、另一方面，部分现有方法依赖较准确的模型信息、剩余飞行时间估计或小角度假设，工程应用中容易受到传感器误差、目标突防机动和执行机构约束影响。若仅依赖传统滑模控制中的大增益切换项克服未知扰动，则容易造成制导指令峰值较大、能量消耗较高以及指令抖振明显。

4、因此，有必要提出一种能够在线估计未知机动和模型不确定性，并将其补偿到攻击角约束制导律中的方法，以在保证目标拦截的同时提高攻击角控制精度并改善导弹法向加速度指令品质。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于高阶滑模扩张状态观测器的机动目标攻击角约束制导方法，用以解决未知机动目标拦截过程中攻击角控制精度不足、扰动补偿能力弱以及传统滑模制导指令峰值和波动较大的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于高阶滑模扩张状态观测器的机动目标攻击角约束制导方法，具体步骤为：

3、步骤一，建立二维平面内导弹与目标的相对运动模型。设导弹与目标均可视为质点，导弹速度大小在末制导段近似为常值，导弹法向加速度为控制输入，目标法向机动加速度未知但有界。

4、步骤二，根据预设攻击角确定期望末端视线角。命中末端导弹前置角趋近于零时，导弹航迹角与视线角满足几何约束，因此将攻击角约束转化为视线角约束，并定义攻击角误差。

5、步骤三，将视线角二阶动力学中的目标未知机动项、建模误差项和外界扰动项合并为总扰动，构造以攻击角误差、攻击角误差变化率和总扰动为扩张状态的状态空间模型。

6、步骤四，设计高阶滑模扩张状态观测器，对攻击角误差变化率和总扰动进行实时估计。观测器采用正增益，并将符号函数替换为具有边界层厚度的饱和函数，以兼顾鲁棒性和抖振抑制。

7、步骤五，构造由攻击角误差和视线角速率组成的滑模面，并设置滑模面参数，使系统到达滑模面后攻击角误差按预定动态收敛。

8、步骤六，根据高阶滑模扩张状态观测器输出构造导弹法向加速度指令。所述指令包括已知非线性相对运动项补偿、总扰动估计补偿、攻击角误差收敛项和鲁棒趋近项，并通过饱和函数和加速度限幅保证工程可实现性。

9、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

10、第一，本发明将目标机动、模型不确定性和外界扰动统一为总扰动，并通过高阶滑模扩张状态观测器进行实时估计，能够提高未知机动目标场景下的抗扰能力。

11、第二，本发明把攻击角约束转化为期望末端视线角约束，并结合视线角速率设计滑模面，使导弹在命中目标时能够同时满足拦截精度和末端攻击角要求。

12、第三，本发明利用总扰动估计值进行补偿，可降低传统滑模制导对大切换增益的依赖，从而降低峰值加速度、控制能量和指令总变差。

13、第四，本发明通过饱和函数和加速度限幅抑制抖振并满足导弹执行机构约束，具有较好的工程应用适应性。

1.一种基于高阶滑模扩张状态观测器的机动目标攻击角约束制导方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相对运动模型以弹目相对距离、视线角、导弹速度倾角和目标速度倾角为状态描述量，并以导弹法向加速度作为待设计控制量，以目标法向机动加速度作为未知有界输入。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，期望末端视线角由期望攻击角和末端导弹前置角趋近于零的几何关系确定，攻击角误差定义为实际视线角与期望末端视线角之间的偏差，即。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，扩张状态模型包括第一状态、第二状态和第三状态，第一状态为攻击角误差，第二状态为攻击角误差随时间的变化率；第三状态为总扰动，其中总扰动包括目标未知机动项、相对运动模型不确定项以及外界扰动项，得系统的扩张状态模型为：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，高阶滑模扩张状态观测器包括对攻击角误差、攻击角误差变化率和总扰动的三个估计通道，并采用正的观测器增益使观测误差在扰动变化率有界条件下收敛，设计为：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，为了降低实际工程应用中的抖振现象，将符号函数替换为饱和函数，得到：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，滑模面由攻击角误差和视线角速率线性组合得到，并通过设置正的滑模面参数使导弹到达滑模面后攻击角误差渐近收敛。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，导弹法向加速度指令包括：用于补偿已知非线性相对运动项的第一项；用于补偿总扰动估计值的第二项；用于使攻击角误差满足预定收敛动态的第三项；以及用于增强闭环鲁棒性的第四项，具体公式为：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，为避免符号函数引起抖振，将替换为饱和函数，得到：

10.根据权利要求1至10任一项所述的方法，其特征在于，所述方法用于二维末制导拦截蛇形机动目标或者其他未知有界机动目标，使导弹在弹目相对距离满足命中条件时，攻击角误差和视线角速率均趋近于零。