拦截高超声速目标的多拦截器协同制导控制理论与方法研究

For the traction of major national strategic needs and based on multiple interceptors intercepting near space hypersonic targets, this project is to exploring the method of multi-interceptor to attact hypersonic targets in the middle of the flight. Aimed at ballistic and motor characteristics of near space hypersonic targets and in order to break the key to the basic theory and methods of terminal guidance of multi-interceptor cooperative guidance and control, the project is focused on researching several key basic scientific problems such as: distributed multi-level collaborative sensing theory and methods of near-space hypersonic target motion information, strongly consistent four-dimensional collaborative guidance theory and methods of intercepting hypersonic and big range maneuvering target continuously and autonomous decision-making and attack formations of multi-interceptor collaborative control theory and methods. According to breaking through on these issues, theory guidance is provided with effectively intercepting near space hypersonic targets. By researching on multiple interceptors guidance and control theory, collaborative guidance theory is riched and the control and relevant subjects are developed.

本项目以国家重大战略需求为牵引，多拦截器拦截近空间高超声速目标为背景，以探索多拦截器编队攻击处于中段飞行的高超声速目标为研究对象，针对近空间高超声速目标的弹道特性与机动特点，以突破末制导段多拦截器协同制导控制的关键基础理论与方法为目标，重点研究近空间高超声速目标运动信息的分布式多层次协同感知理论与方法，拦截高超声速大范围持续机动目标的强一致性四维协同制导理论与方法，多约束条件下多拦截器自主决策与攻击编队协同控制理论与方法等关键基础科学问题，力争在若干个关键科学问题研究上取得突破，为实现对近空间高超声速目标的有效拦截提供理论指导。同时，通过对多拦截器协同制导控制理论与方法的研究，丰富协同制导控制理论的研究，促进控制及相关学科的发展。

本项目研究了拦截高超声速目标的多拦截器协同制导控制理论与方法。以多拦截器拦截近空间高超声速目标为背景、拦截处于中段飞行的高超声速目标的多拦截器攻击编队为研究对象，将多拦截器协同制导控制问题分解成一个分布式多层次协同攻击网络结构下的目标运动信息协同感知、协同制导、协同控制三个紧密关联的子问题，分别对相关的机理与方法进行深入研究。首先，提出了针对高超声速目标的分布式协同感知算法，解决了协同感知中的传感器视场受限、观测信息不完备、通信带宽受限、模型非线性较强等难点问题，实现了对这类高速大机动目标运动信息的高精度估计与跟踪。其次，深入研究了高超声速持续大机动目标的弹道特性和机动模式，以及单枚导弹的高精度末制导律设计问题；在此基础上，提出了两类典型的基于动态图模型的协同制导方法，分别是强一致四维协同制导方法和时变编队拦截协同制导方法。再者，研究了飞行器集群编队-合围控制分析与设计中的难点及关键问题，提出了时变编队可行性及编队参考函数的分析方法，解决了分布式编队控制中队形时变的难题；设计了在时变通信时延与拓扑切换条件下的时变编队控制器，给出了实现时变编队的判据、确定了通信时延和拓扑切换对编队可行域和编队参考函数的影响；提出了编队-合围控制模型和方法，突破了分层耦合协同的难题，实现了通信时延、输出反馈等条件下的编队-合围控制。最后，开发了一套多弹协同制导控制仿真平台，搭建了一套基于多无人机和多无人车的协同制导控制实物验证平台，对多拦截器协同制导控制理论与方法的正确性、有效性进行了验证与评估。在本项目的资助下，发表/录用SCI检索论文75篇，EI检索论文119篇，其中2篇全球1%ESI高被引论文，IEEE汇刊论文共18篇（含长文15篇），国际会议最佳论文/提名奖2篇，上述研究成果均标注基金资助号；基于上述成果，项目负责人任章教授获得教育部技术发明一等奖一项，课题组在空军“无人争锋”比赛中获得唯一优胜奖，课题组董希旺副教授获得2018年吴文俊人工智能优秀青年奖。