多飞行器编队控制及协同制导方法.pdf

摘要

随着航空航天技术的不断提高，战场环境也日益复杂，单一飞行器已经

无法满足未来空战的要求。为了增强防御系统性能，提高打击精度，采用多

飞行器进行协同拦截成为国内外军事领域关注的防御战术。本文以多飞行器

协同拦截来袭目标为研究背景，针对中末制导过程中的编队飞行控制和协同

制导方法展开研究，研究适用于协同拦截任务要求的编队控制、协同制导及

协同估计方法，为多飞行器协同控制带来的特殊问题给出合理的解决方案。

通过将多智能体有限时间一致性理论与多飞行器协同控制系统有机结合，实

现速度更快、鲁棒性更好的控制效果。论文主要开展以下研究工作：

首先，针对多飞行器协同拦截与多智能体系统一致性问题相似的特点，

结合协同拦截任务对控制时间要求较高的需求，利用有限时间控制理论的优

势，开展多智能系统有限时间一致性问题的研究。在建立多智能体系统模型

的基础上，针对一阶无向多智能体系统和二阶有向多智能体系统，分别设计

存在通信时延、通信拓扑时变约束下的有限时间一致性控制算法。在此基础

上，进一步设计高阶多智能体系统的有限时间一致性控制算法，为后续编队

飞行控制及协同制导方法的研究提供理论基础。

其次，针对多飞行器系统中制导过程中的编队飞行控制问题，研究基于

有限时间一致性的编队飞行控制方法。结合飞行器特点，采用微分几何理论

得到精确线性化模型，建立飞行器编队控制模型，给出基于领导-跟随策略

的编队飞行控制方法。引入领导飞行器坐标系，利用有限时间一致性理论设

计编队飞行控制器，并对系统的有限时间稳定性进行分析。在此基础上，进

一步考虑执行机构饱和的影响，实现系统存在控制输入约束条件下的有限时

间编队控制，提高编队控制系统的鲁棒性。

再次，针对多飞行器协同拦截末制导过程中的协同制导控制问题，研究

基于有限时间控制理论的协同制导方法。在建立多飞行器与目标相对运动模

型的基础上，给出协同制导问题描述。利用有限时间控制理论和一致性原理，

设计基于领导-跟随策略的三维空间内有限时间协同制导律。同时，考虑协

同制导精度受目标运动状态、作战环境及参数等多种因素的影响和制约，设

计参数自适应调节器，使控制器参数自适应调节，与状态跟踪控制算法配合

作用，实现参数根据设计的调节机制进行自适应调整，提高制导性能。

最后，针对来袭机动目标的协同拦截问题，研究基于一致性的协同估计

与制导方法。根据扩张状态观测器的工作原理，设计二阶扩张状态观测器估

计目标加速度，在此基础上利用一致性理论设计分布式估计器，为各飞行器

提供一致性估计协调控制量，通过通信网络进行局部信息交换，使得各飞行

器得到一致的估计值。利用分布式一致性估计器得到的目标估计值，考虑通

信拓扑切换的影响，设计基于扩张状态观测器的有限时间协同制导律，实现

各飞行器对机动目标的精确拦截，提高协同拦截精度。

关键词：多飞行器；有限时间一致性；编队飞行控制；协同制导；协同估计

Abstract

Withtherapiddevelopmentoftheaerospacetechnologyandtheincreasing

complexityofthebattlefieldenvironment,thesingle-flight-vehiclecombathave

beenunabletomeettherequirementsinfutureaircombatmissions.Inorderto

enhancetheperformanceofthedefensesystemandimprovetheattackprecision,

themultipleflightvehiclescooperativeinterceptionhasbecomeamajordefen-

sivetacticinthemilitaryfield.Withthebackgroundofcooperativeinterception

bymultipleflightvehicles,thisdissertationmainlyresearchtheformationcon-

trolandcooperativeguidanceproblems.Aneffectiveformatio