摘要
吸气式高超声速飞行器是一种远距离武器，其巡航段在整个飞行过程中占较大比重，同时由于高超声速飞行器巡航段的特点，在此阶段飞行器易被拦截探测，因此巡航段的设计与飞行任务能否顺利完成密切相关。巡航段的设计需要解决轨迹优化和制导律设计这两个关键问题，轨迹优化为飞行器在理想条件下提供参考的飞行路线，制导律设计保证当环境、状态等偏离理想条件时，飞行器仍能顺利完成飞行任务。本文针对吸气式高超声速飞行器的巡航段研究其制导问题，主要研究内容如下： 1.对高超声速飞行器的特性及目标特性进行研究，在纵向平面内建立了飞行器动力学模型，定量描述了目标典型的机动方式，分析了中末制导交班条件，为实现高超声速飞行器中制导律设计提供了理论基础。 2.对高超声速飞行器巡航段的轨迹优化问题进行数学描述，分别研究了基于高斯伪谱法、基于强化学习的轨迹优化方法。基于高斯伪谱法，对巡航段的状态量、控制量进行优化，使其满足设计的约束条件，并使设计的性能指标最优。研究问题时，将地面防空反导武器、雷达探测的空域视为禁飞区，当其移动时，禁飞区也将移动。因此，基于强化学习进一步设计考虑禁飞区移动时的轨迹优化算法。研究结果表明：基于高斯伪谱法的巡航段轨迹优化方法在解决有固定禁飞区的问题时效果较好，能优化出一条满足各种约束且性能指标最优的轨迹，通过重新选择控制变量，解决了优化后的控制量波动较大不好跟踪的问题；基于强化学习的巡航段轨迹优化方法能应对禁飞区变化的情况，且该方法具有一定的鲁棒性。 3.考虑因目标机动导致飞行器巡航段终端状态发生变化的问题，设计预测控制框架下的高超声速飞行器中制导律，使飞行器在实际飞行过程中能够根据当前的实际状态获得最优控制量，提高飞行器制导过程中的鲁棒性。研究结果表明：在目标机动形式已知的情况下，预测控制框架下的高超声速飞行器中制导律可实现实时滚动优化，根据飞行器当前的实际状态获得最优控制量，将飞行器导引至实时变化的终端状态范围内，给末制导提供良好的初始条件。与直接采用高斯伪谱法进行优化相比，预测控制框架下的高超声速飞行器中制导律灵活性较高，能应对的问题种类更多，在实际应用中更能适应任务需求，从而具有更高的实用价值。 综上所述，本文利用高斯伪谱法和强化学习实现了不同约束条件下高超声速飞行器巡航段的轨迹优化，基于轨迹优化提供的参考轨迹，实现了预测控制框架下的高超声速飞行器中制导律设计。
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