Fault-Tolerant and Learning-Based Adaptive Guidance and Control Strategies for Missile and UAV Interception. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Abdulrazaq Nafiu Abubakar Final Dissertation Report.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 11 June 2026. Download (23MB)

Arabic Abstract

% تقدم هذه الرسالة إطارًا موحدًا متقدمًا لتوجيه وتحكم واعتراض التهديدات الجوية الحديثة، حيث تتناول كلاً من الأهداف الصاروخية عالية السرعة والتسللات منخفضة الارتفاع للطائرات بدون طيار (UAV). إن التطور السريع للتهديدات الجوية، لا سيما الصواريخ المناورة وأسراب الطائرات بدون طيار التعاونية، يفرض تحديات كبيرة على أنظمة الدفاع الجوي التقليدية. ففي حين تعاني أساليب توجيه الصواريخ التقليدية من قيود ناتجة عن التصميم المفصول وعدم القدرة على تحمل الأعطال، فإن طرق اعتراض الطائرات بدون طيار الحالية غالبًا ما تفشل في التوسع بكفاءة أو التعامل مع السلوكيات العدائية. ولمواجهة هذه التحديات، تطور هذه الدراسة استراتيجيات التوجيه والتحكم المتكامل (IGC) ذات القدرة على تحمل الأعطال لأنظمة الصواريخ، إلى جانب أطر اعتراض بين الطائرات بدون طيار قائمة على البيانات ومتكاملة مع التحكم. ومن خلال دمج نظرية التحكم غير الخطي مع تقنيات التعلم الآلي غير الخاضع للإشراف، تؤسس الرسالة بنية دفاعية متعددة الطبقات وقابلة للتكيف، قادرة على تحقيق اعتراض قوي ودقيق وقابل للتوسع عبر سيناريوهات تهديد متنوعة.\\ تتناول القضية الأولى تطوير منهجية جديدة للتوجيه والتحكم المتكامل القائم على مرشح الأوامر مع تحمل الأعطال النشطة (CF-FT-IGC) للصواريخ التي تعترض أهدافًا عالية المناورة. يدمج هذا النهج بين التحكم بنمط الانزلاق النهائي الشامل، وتقنية backstepping، ومرشح الأوامر، ومراقبات الحالة الممتدة، لمعالجة أعطال المشغلات، والاضطرابات الخارجية، ولا نظمة الا الخطية. كما تم تطوير آلية لاكتشاف الأعطال وتقديرها لتحديد أعطال دفة التوجيه وتعويضها في الزمن الحقيقي. ويضمن تحليل الاستقرار القائم على ليابونوف تقاربًا في زمن منتهٍ، في حين تُظهر نتائج المحاكاة تحسنًا في المتانة وتقليل مسافة الخطأ وتفوقًا في الأداء مقارنة بالطرق التقليدية.\\ تتناول القضية الثانية توسيع إطار التوجيه والتحكم المتكامل من خلال تطوير استراتيجية سلبية لتحمل الأعطال تعتمد على مرشح الأوامر (CF-PFTIGC) مع فرض قيود على زاوية الاصطدام. تتضمن هذه الطريقة مراقب حالة ممتد بزمن منتهٍ للتعامل مع عدم اليقين والاضطرابات، مع ضمان أداء اعتراض دقيق حتى في حالات تدهور كفاءة المشغلات. كما يساهم التصميم المقترح في الحد من مشكلة ``انفجار التعقيد'' المرتبطة بأساليب backstepping التقليدية، ويضمن بقاء سلوك النظام ضمن حدود مقبولة. وتؤكد نتائج المحاكاة قدرة المتحكم على الحفاظ على دقة اعتراض مقبولة حتى في ظل ظروف أعطال كبيرة.\\ أما القضية الثالثة، فتقترح إطارًا قابلًا للتوسع لاعتراض الطائرات بدون طيار باستخدام استراتيجية اعتراض UAV-to-UAV، حيث يتم دمج خوارزمية K-means للتجميع مع التحكم القائم على backstepping بنمط الانزلاق. وتعالج هذه الطريقة مشكلة تعدد الأهداف من خلال تجميع الطائرات المهاجمة في عناقيد وتكليف الطائرات المدافعة بتتبع مراكز هذه العناقيد، مما يقلل من التعقيد الحسابي. كما تضمن استراتيجية التحكم غير الخطي متانة عالية ودقة في تتبع المسار ورفض الاضطرابات مع مدخلات تحكم سلسة. وتظهر نتائج المحاكاة سرعة التقارب وانخفاض خطأ التتبع وفعالية الاعتراض في كل من السيناريوهات أحادية ومتعددة المدافعين.\\ وتقدم القضية الرابعة استراتيجية متقدمة لاعتراض الطائرات بدون طيار تجمع بين خوارزمية DBSCAN للتجميع وآلية مبتكرة لتسلسل نقاط المسار الخادعة (DWS)، إلى جانب التحكم القوي القائم على backstepping بنمط الانزلاق. وعلى خلاف الأساليب التقليدية، يتيح الإطار المقترح إجراء تجميع في الزمن الحقيقي دون الحاجة إلى معرفة مسبقة بعدد أسراب الطائرات، كما يُدخل عنصر الخداع لمواجهة الطائرات المعادية الذكية. ويساهم دمج التجميع التكيفي والتحكم غير الخطي وخداع المسار في تعزيز متانة الاعتراض وتقليل قابليته للتنبؤ. وتؤكد نتائج المحاكاة تفوق الأداء مقارنة بالطرق التقليدية، خاصة في البيئات الديناميكية والمعقدة التي تتضمن عدة طائرات بدون طيار.

English Abstract

This thesis presents a unified framework for advanced guidance, control, and interception of modern aerial threats, addressing both high-speed missile targets and low-altitude unmanned aerial vehicle (UAV) incursions. The rapid evolution of aerial threats, particularly maneuvering missiles and cooperative UAV swarms, poses significant challenges to conventional air defense systems. While traditional missile guidance approaches suffer from limitations due to decoupled design and lack of fault resilience, existing UAV interception methods often fail to scale efficiently or handle adversarial behaviors. To address these challenges, this research develops integrated guidance and control (IGC) strategies with fault tolerance for missile systems, alongside data-driven and control-integrated UAV-to-UAV interception frameworks. By combining nonlinear control theory with unsupervised machine learning, the thesis establishes a multi-layered and adaptive defense architecture capable of robust, accurate, and scalable interception across diverse threat scenarios. The first issue introduces a novel command-filter-based active fault-tolerant integrated guidance and control (CF-FT-IGC) scheme for missiles intercepting highly maneuvering targets. The approach integrates global terminal sliding mode control, backstepping, command filtering, and extended state observers to address actuator faults, external disturbances, and system nonlinearities. A fault detection and estimation mechanism is developed to identify and compensate for rudder faults in real time. Lyapunov-based stability analysis guarantees finite-time convergence, while simulation results demonstrate improved robustness, reduced miss distance, and superior performance compared to existing methods. The second issue extends the IGC framework by developing a command-filter-based passive fault-tolerant integrated guidance and control (CF-PFTIGC) strategy with impact angle constraints. The method incorporates a finite-time extended state observer to handle uncertainties and disturbances while ensuring precise interception performance under degraded actuator effectiveness. The proposed design mitigates the “explosion of complexity” associated with traditional backstepping approaches and guarantees bounded system behavior. Simulation studies validate that the controller maintains acceptable interception accuracy even under significant fault conditions. The third issue proposes a scalable UAV-to-UAV interception framework that integrates K-means clustering with sliding mode backstepping control. The method addresses multi-target interception by grouping attacking UAVs into clusters and assigning defender UAVs to track cluster centroids, thereby reducing computational complexity. A robust nonlinear control strategy ensures accurate trajectory tracking, disturbance rejection, and smooth control inputs. Simulation results demonstrate fast convergence, minimal tracking error, and effective interception in both single- and multi-defender scenarios. The fourth issue presents an advanced UAV interception strategy that combines DBSCAN-based clustering with a novel deceptive waypoint sequencing (DWS) mechanism and robust sliding mode backstepping control. Unlike conventional approaches, the proposed framework enables real-time clustering without prior knowledge of swarm size and introduces deception to counter intelligent adversarial UAVs. The integration of adaptive clustering, nonlinear control, and trajectory deception enhances interception robustness and unpredictability. Simulation results confirm superior performance over baseline methods, particularly in complex and dynamic multi-UAV environments.