基于轨迹预测的高超声速飞行器拦截中/末制导研究

针对因高超声速飞行器全程飞行速度快且具较强的机动能力,导致中末制导需用过载超出可用过载,采用传统制导律难以满足拦截需求的问题,对一种基于虚拟目标的高超声速飞行器轨迹拦截方法进行了研究。基于目标Singer运动学模型和量测模型,用扩展卡尔曼滤波(EKF)估计目标运动信息,将预测命中时刻目标运动轨迹作为虚拟目标点,考虑拦截交会角约束,采用针对虚拟目标的中制导拦截策略,在末制导段采用比例修正制导。通过随距离可变的末制导过渡段指令,以避免中末制导弹道交班的过载抖动。仿真结果表明:基于虚拟目标点高超声速目标拦截能有效减小末端弹目交会角同时降低需用过载。为降低中制导误差,可在拦截过程中实时更新一次虚拟目标的预测结果。该法可用于高超声速飞行器拦截,以及其他大机动目标的轨迹预测和拦截。     

基于外部信息源的临近空间飞行器中制导研究

针对用于高超声速巡航飞行器拦截的临近空间飞行器,提出了基于预测校正算法的中制导方法,基于外部预警系统所提供的目标信息,通过对影响末制导段拦截精度的空间交会角分析,给出了中制导虚拟终端目标的生成方法。利用基于单纯形算法的最优化求解算法进行预测校正算法的实现。针对中制导的实现特点,分别建立了适合的目标函数、预测方程和迭代优化算法。最终,通过仿真验证了算法的可行性和有效性,仿真结果标明,对于最大升阻比为2的飞行器,所提出的算法可基于目标的运动实时进行中制导轨迹的调整,到达期望的中制导终端点。最大位置偏差不超过500m,速度偏差小于10m/s,航迹倾角和航迹偏角小于2.5°和3.0°。     

面向拦截的高超声速飞行器轨迹预测关键技术综述

针对面向拦截的高超声速飞行器轨迹预测问题,从目标运动特性分析、机动目标跟踪和轨迹预测3个方面综述研究现状,并进行了展望。首先,建立带控制量的目标运动模型,并分析目标运动特性的研究进展。接着,分析了动力学模型、运动学模型和多模型等目标跟踪方法的研究现状及各类算法的优缺点。然后,从轨迹预测方法和轨迹预测算法综述面向拦截高超声速飞行器轨迹预测的研究现状。最后立足已有研究,从运动特性分析、机动目标跟踪和目标轨迹预测3个方面提出应重点加强的研究方向。     

面向临近空间目标拦截的预测命中点设计方法

针对基于吸气式高超声速平台的临近空间目标拦截概念方案,考虑由于吸气式动力拦截平台飞行策略与火箭动力拦截弹的区别,导致传统预测命中点设计方法不适用的问题,开展面向吸气式高超声速平台的拦截预测命中点设计方法研究。首先,基于拦截空域最大的原则,结合吸气式动力飞行策略构建高超声速拦截平台的标准弹道族;然后通过将多约束拦截预测命中点设计问题分解为基于航程约束的拦截时间迭代计算问题和满足高度约束的拦截点的高效筛选问题,快速完成预测命中点规划。最后,通过仿真实验说明了提出的面向吸气式高超声速拦截平台预测命中点规划方法的有效性。     

基于滑模控制理论的前向追踪制导律研究

高超声速目标速度快,机动性高。使用传统拦截方式对目标进行拦截的难度过高,导致拦截精度下降。为了对高超声速目标拦截具有更高的制导精度,本文采用前向追踪拦截的方式对目标进行三维动态拦截仿真。根据目标与拦截器的运动学及动力学原理建立前向追踪拦截动态模型,该模型要求将低速拦截器置于高速目标之前;设计了一种基于滑模变结构控制理论前向追踪制导律,该制导律通过控制拦截器的法向加速度控制其飞行方向,从而达到拦截的目的;分析目标机动与非机动时拦截器的动态特性,并对目标在机动与非机动时与拦截器的运动轨迹及相关参数进行仿真,仿真结果验证了制导律的可行性。     

临近空间高超声速目标及其防御

介绍了美国临近空间高超声速飞行器的发展历程,分析了临近空间高超飞行器的战略意义和目标特性.根据临近空间高超声速目标对防御系统预警能力时间性、高速机动目标精确探测、拦截弹机动过载和高精度制导控制等要求,阐述了预警探测系统、指挥控制系统和拦截武器系统可采取的措施.     

反临近空间高超声速飞行器若干研究进展

为了支撑我国反临近空间高超声速飞行器相关领域的基础研究和工程研制，在分析典型临近空间高超声速目标飞行特性和作战任务剖面的基础上，综述了目标预警探测、轨迹跟踪预测、制导控制方法、拦截攻击策略四个方面的若干研究成果，讨论了每个方面存在的技术难题和可行的解决方案，并建议从天/临/空/地/海体系预警、红外多模复合敏感、可攻击区轨迹预测、直/气复合等先进控制、协同拦截防御等方面给予重点研究。     

面向轨迹预测的高超声速飞行器气动性能分析

为了给高超声速轨迹预测问题提供先验知识,研究了面向轨迹预测的高超声速飞行器气动性能分析问题。首先,简要介绍了高超声速再入滑翔飞行器的基本性能,从拦截的角度分析了对其滑翔段进行轨迹预测的必要性。其次,以HTV-2为例,采用斜激波理论、活塞理论、Prandtl-Meyer方程及粘性力工程计算方法对临近空间高超声速环境下飞行器的受力情况进行了分析建模。然后,对目标机动性能进行了仿真分析,仿真结果与相关文献报道较一致,证明了建模仿真方法的可行性。最后,基于以上建模仿真,给出了一组适用于临近空间高超声速飞行器滑翔段目标跟踪和轨迹预测的气动参数,并进行了仿真验证,为下一步研究基于拦截的高超声速飞行器轨迹预测提供了理论基础和方法指导。     

面向中末交接班的临近空间拦截弹弹道优化

针对反高超声速目标拦截弹中末制导交接班窗口小、变化快引起的交接班难题,设计了带终端位置和速度指向约束的拦截弹中制导弹道。首先,考虑交接班时间、动压、热流、过载、控制量以及终端弹道倾角等约束,建立了拦截弹纵向平面中制导弹道优化模型;其次,构建了中制导段的弹目拦截几何,提出了能量受限的侧窗探测拦截弹中末制导交接班窗口概念,并将其作为拦截弹中制导段弹道设计的终端约束条件;然后,基于hp自适应网格细化方法设计了面向中末交接班的优化弹道。仿真结果表明,所构建的中末制导交接班窗口条件完备有效,能较好描述中制导末端约束条件,所设计的优化算法收敛速度快、求解精度高。另外,通过仿真提出了临近空间拦截弹宜采用背风探测的交接班方案。     

面向临近空间高机动目标的改进预测命中点规划方法

研究面向临近空间高超声速目标的预测命中点设计问题,考虑到高超声速目标机动能力强,拦截系统的目标预报弹道中存在多次出现斜距相同的情况,导致基于斜距的预测命中点设计方法不适用。通过引入目标弹道预划分手段,保证在每个预测命中点搜索区间的斜距具有单调性,以便可以快速有效搜索到预测命中点,解决当前方法的局限性。结合拦截弹的标准弹道族计算,提出了基于目标弹道预划分的改进预测命中点设计方法。在此基础上,考虑到延时发射,通过状态转换的方法,将三维平面进行降维处理,获得标准弹道族与目标弹道的所有位置重合点,并通过两者飞行时间时长对比筛选出可行拦截弹道方案,从而获得发射时间窗口。最后,通过开展仿真分析说明了提出方法的有效性。     

高超声速滑翔飞行器轨迹优化与制导综述

针对多约束条件下高超声速滑翔飞行器轨迹优化与制导问题,从离线和在线两个方面综述了高超声速滑翔飞行器轨迹优化与制导方法,并进行了展望。首先建立了带随机干扰的高超声速滑翔飞行器轨迹优化与制导问题模型。针对是否考虑随机干扰,从确定性和鲁棒性两方面对离线轨迹优化与制导进行了综述。在线轨迹优化与制导方面主要对在线轨迹生成加轨迹跟踪的标准轨迹制导和预测制导两方面进行了综述。最后,提出轨迹优化与制导技术应加强在模型、计算效率、多任务、高精度制导等几个方面的研究。     

高超声速飞行器制导与控制性能评估方法

针对高超声速飞行器的特点,探讨了高超声速飞行器制导与控制系统性能评估问题。对控制系统性能定性评估原则及需考虑的影响因素进行了描述,建立了较完整的制导与姿态控制性能评估指标体系。根据层次化分析思想,通过定性分析与定量评估相结合,提出了一套适用于高超声速飞行器制导与姿态控制性能评估方法。最后,提出了制导与姿态控制性能综合评估验证系统的框架,为后续仿真验证平台搭建及不同制导姿控方法评估提供了重要依据。     

美国高超声速导弹武器研制进展及思考

正高超声速导弹武器因具备飞行速度快、机动性强等突出特点,能有效突破敌方防空和导弹防御系统的拦截,实施对高价值目标的精确打击,是主要军事国家优先发展的武器装备。为了在大国战略博弈中获得竞争优势,尤其是应对俄罗斯高超声速导弹进入实战部署带来的挑战,美国积极推动高超声速攻防导弹武器系统的发展,加强高超声速导弹研制基础设施建设。本文在分析美国高超声速导弹武器最新进展的基础上,提出几点启示与思考。     

高超声速目标拦截末段交战窗口快速生成方法

针对高超声速目标拦截问题，提出了拦截器的末段交战窗口(TEW)快速生成方法，该窗口表征了所有可行的末段交战阵位。首先，针对高超声速非机动目标建立了解析形式的拦截条件。在此基础上，针对非机动目标和机动目标，依次推导了TEW边界的解析方程。同时，根据拦截器的最小和最大初始航向角，定义并计算了TEW内所有位置的可控裕度。最后，通过对高超声速目标TEW仿真，验证了所提出方法的有效性，并分析了TEW边界和可控裕度的影响因素。与传统数值方法相比，本文解析方法生成的TEW边界一致，但计算耗时大幅减小，具有在线使用的潜力。此外，仿真结果也表明，当目标信息存在测量误差时，所提出的TEW生成方法依然有效。     

高超声速飞行器俯冲段制导与姿控系统设计

针对高超声速飞行器俯冲飞行段制导与姿态控制问题,建立基于飞行器加速度分量的三通道角速率解算模型,提出一种新颖的制导控制系统设计方法。建立高超声速飞行器俯冲段六自由度(6DOF)质心和绕质心动力学与运动模型,以目标-飞行器三维(3D)空间相对运动模型为基础,利用终端滑模控制方法和零化视线(LOS)角速率原理得到飞行器期望过载进而解算对应的俯仰、偏航和滚转角速率指令;姿控系统基于滑模控制理论完成该三通道角速率指令的跟踪并生成飞行器舵偏指令;该方法以解析模型替代传统姿控系统设计中欧拉角指令的跟踪回路,可有效降低制导与姿控系统阶数并减少控制系统设计参数,同时省略了根据气动系数反求欧拉角指令的过程;仿真结果显示,该方法能保证高超声速飞行器(GHV)精确命中地面固定目标,且俯冲飞行过程中各项状态变量均稳定可控。     

高超声速飞行器基于路径跟踪的制导方法

针对具有高位置精度要求的高超声速飞行器制导问题,提出一种基于路径跟踪和自适应动态面控制（ADSC）方法的轨迹跟踪制导的方法。根据高超声速飞行器动力学建立数学模型,同时为了方便跟踪控制对数学模型进行了部分线性化处理。针对高超声速滑翔飞行器三维轨迹跟踪存在的欠驱动问题,引入路径跟踪的思路将其转化为二维的跟踪控制问题;针对高超声速飞行器建模不确定性强的特点,使用具有较强鲁棒性的ADSC方法实现鲁棒的路径跟踪。能够证明所提出的方法可以以任意小的误差实现参考轨迹跟踪。仿真结果表明,该制导方法具有较高的跟踪精度并且具有较强的克服模型不确定性的能力。     

一种带航迹角约束的临近空间目标拦截中制导算法

针对采用双脉冲发动机的防空导弹拦截临近空间高速目标的多约束中制导问题,设计了一种基于逆轨拦截且满足过载收敛的预测-校正制导方法。该算法在基于由最优控制理论推导的满足终端位置、速度约束的ZEM-ZEV算法基础上,以具有航迹角约束的零控拦截流形作为交班条件,采用数值预测方法对剩余飞行时间进行高精度求解,通过在线动态生成初-中制导交班的速度方向和II脉冲发动机的开机时刻来降低中制导段需用过载。蒙特卡洛打靶仿真结果表明本文所提出的中制导算法能够满足带航迹角约束的零控拦截条件,对模型的参数偏差和不确定性具有强鲁棒性,具备重要的理论意义和工程应用价值。     

大气层内拦截战术弹道导弹制导控制技术研究

就国家导弹防御系统而言 ,在大气层内对来袭弹道导弹的拦截与在大气层外实行拦击目标具有同样的实际意义。因此 ,新一代的防空导弹必须有一定的反战术导弹的能力。本文主要讨论在高空 2 0km以下作为低层防御的拦截导弹制导控制系统设计的一些方法。提出了拦截命中点的预测方法和拦截交会可采用的制导规律     

大气层外拦截器最优中制导律设计

中制导是大气层外拦截嚣复合制导体系的关键技术之一,对消除主动段结束时的速度误差和构造有利的末制导初始条件有着重要意义.以机动能力需求最小为优化目标,本文提出了一种针对大气层外拦截器的中制导规律.能量最优中制导规律的关键是在预测拦截点附近寻找最优的拦截点和对应的最优需用速度,并满足中段机动能力约束.仿真试验结果表明,该方...     

临近空间高超声速目标点迹处理研究

针对临近空间高超声速目标在雷达数据处理中容易出现目标分裂的问题,通过分析临近空间高超声速目标原始点迹数据特点,提出了一种适合临近空间高超声速目标点迹处理的方法,该方法通过野值剔除、点迹数据归并、点迹凝聚和修正等步骤,实现了目标原始点迹数据一个目标在某一时刻只有一个点迹的要求。仿真结果表明,该方法能够实现对临近空间高超声速目标原始点迹的有效处理。