臨近空間飛行器定位跟蹤及攔截彈制導(dǎo)問題研究.pdf

1、由于臨近空間飛行器飛行速度快，機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，作為進(jìn)攻性武器具有很大的發(fā)展?jié)摿?。因此，研究臨近空間防御問題，實(shí)現(xiàn)對臨近空間飛行器的有效攔截，對未來國家安全具有重要的戰(zhàn)略意義。要實(shí)現(xiàn)臨近空間有效防御，還有大量難點(diǎn)問題需要解決，包括臨近空間目標(biāo)預(yù)警問題；臨近空間目標(biāo)有效探測問題；對臨近空間內(nèi)具備機(jī)動(dòng)能力的目標(biāo)進(jìn)行有效跟蹤濾波的問題；以及反導(dǎo)攔截彈的中段制導(dǎo)控制問題；臨近空間中攔截彈氣動(dòng)、推力組合控制問題等等。本文以攔截助推滑翔式臨近空間飛行器為

2、背景，重點(diǎn)研究這一復(fù)雜系統(tǒng)中，如何對目標(biāo)飛行器進(jìn)行有效探測及跟蹤濾波，以及如何對攔截彈進(jìn)行初段及中段制導(dǎo)等問題，主要包括以下幾個(gè)部分。
　　首先，綜合考慮助推滑翔式臨近空間飛行器的具體特點(diǎn)，基于天基預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)對目標(biāo)飛行器進(jìn)行探測。本文建立了預(yù)警衛(wèi)星觀測模型，并提出了采用多顆預(yù)警衛(wèi)星對目標(biāo)飛行器進(jìn)行探測的方案，詳細(xì)研究了基于天基預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)的無源定位問題。本文針對預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)的不同探測情況，分別研究了多種無源定位算法，包括純幾何方

3、法，總體最小二乘算法等。研究角度測量信息含誤差情況下，使用預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)盡可能準(zhǔn)確地對目標(biāo)實(shí)現(xiàn)無源定位，并在定位速度和精度兩個(gè)方面對多種方法進(jìn)行性能對比。
　　其次，研究了如何在無源定位信息基礎(chǔ)上，對具備機(jī)動(dòng)能力的臨近空間飛行器進(jìn)一步跟蹤濾波。本文針對臨近空間飛行器的具體飛行特點(diǎn)，基于交互式多模型濾波算法(IMM)的基本思想，研究對目標(biāo)飛行器的跟蹤濾波算法；本文充分調(diào)研各類資料，對飛行器的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行簡單分析，研究臨近空間飛行器可能

4、的運(yùn)動(dòng)模式，并在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，合理選擇目標(biāo)飛行器的機(jī)動(dòng)模型集；并針對目標(biāo)飛行器的具體特點(diǎn)，對目標(biāo)模型集合進(jìn)行自適應(yīng)改進(jìn)。最終在跟蹤濾波信息基礎(chǔ)上，使用數(shù)值積分方法，考慮目標(biāo)飛行器多種飛行約束，對目標(biāo)進(jìn)行彈道預(yù)報(bào)。
　　再次，在預(yù)報(bào)彈道基礎(chǔ)上，研究攔截彈飛行方案設(shè)計(jì)問題。建立了攔截彈動(dòng)力學(xué)模型，合理選擇攔截彈發(fā)射諸元，并采用迭代最小二乘算法對攔截彈彈道諸元進(jìn)行迭代計(jì)算，并通過彈道積分時(shí)間反算攔截彈發(fā)射時(shí)間。本文還分析了攔截彈的發(fā)

5、射諸元的性質(zhì)，以方便迭代初值的選取并驗(yàn)證迭代算法收斂性。本文針對具體仿真場景快速計(jì)算攔截彈發(fā)射方案，解決了對臨近空間飛行器目標(biāo)實(shí)現(xiàn)反導(dǎo)攔截所必須的攔截彈發(fā)射方案設(shè)計(jì)問題。
　　接下來，本文研究了當(dāng)攔截彈在初段完成預(yù)設(shè)程序飛行后，在飛行中段如何進(jìn)行制導(dǎo)的問題。本文采用基于零控脫靶量(ZEM)的預(yù)測制導(dǎo)理論基本思想，針對攔截臨近空間飛行器的具體特點(diǎn)，對模型進(jìn)行合理簡化，研究ZEM的計(jì)算方法，并得到精度較高的ZEM解析解。然后在 ZEM

6、解析解基礎(chǔ)上，基于線性簡化模型和線性系統(tǒng)二次型最優(yōu)制導(dǎo)理論，求解攔截彈飛行中段制導(dǎo)指令解析表達(dá)式。解決了攔截臨近空間飛行器時(shí)，攔截彈中段彈道實(shí)時(shí)制導(dǎo)問題。
　　最后，是對本論文所有研究內(nèi)容的綜合體系仿真。本文簡單設(shè)計(jì)了一組合理的天基預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng)星座布置方案，并簡單設(shè)計(jì)了助推滑翔式臨近空間飛行器的優(yōu)化彈道。然后在預(yù)警衛(wèi)星星座布置方案和目標(biāo)優(yōu)化彈道基礎(chǔ)上，對攔截臨近空間飛行器的全過程進(jìn)行綜合仿真，以綜合評價(jià)本論文所提出的總體方案的可行