基于需用速度增益曲面的大气层外超远程拦截导引方法

考虑拦截器使用耗尽关机固体推进系统的情况,提出需用速度增益曲面概念,设计了基于该概念的大气层外超远程拦截导引方法。根据Lambert导引,给定拦截时间就有唯一的指令推力方向与之对应,导引过程分为两个阶段:零控拦截到达阶段,选择最优拦截时间,需用速度增益曲面迅速与助推时间-拦截时间平面相切;零控拦截保持阶段,拦截时间不断减小,保持需用速度增益曲面在助推时间-拦截时间平面上滑动,消耗多余的推进剂。利用拟零控拦截概念使两个导引阶段平缓过渡,避免了导引方法切换时推力方向的跳变。导引律计及了J2项摄动对滑行段弹道的影响,导引精度对推进系统参数偏差的鲁棒性强。仿真结果表明本文制导方法用于大气层外超远程目标拦截,脱靶量仅为km量级,推进系统参数偏差对导引精度的影响很小。     

基于零控脱靶量的大气层外拦截中制导研究

针对大气层外拦截中段采用耗尽关机固体燃料发动机的情况,设计了基于零控脱靶量的鲁棒中制导律。推导了系统状态转移矩阵,通过数值方法求解得到考虑地球扁率J2摄动项的拦截器零控脱靶状态,在此基础上将推力分解到视线方向和垂直视线方向,并根据垂直视线方向需要速度增量大小设计了推力分配比例系数,使得推力方向平稳变化且能快速减小系统的零控脱靶量。仿真表明,所设计的中制导律简单、可靠,便于工程实现,能有效提高拦截精度,并对发动机工作参数具有较强的鲁棒性。     

一种适用于大气层外动能拦截器的末制导律

 针对大气层外动能拦截器拦截问题，设计了一种简单有效的末制导律。推导出计算零控脱靶量一种新的解析表达式，由于在推导过程中考虑了两飞行器间重力差影响，得出的表达式相对于将两飞行器重力差简化为零重力模型得到的解析式具有更高的精度；根据平行接近法原理利用此表达式推导出一种简单的末制导律；详细介绍了脉宽调制(PWM)式实现变推力控制的方案，仿真中在考虑发动机工程约束的情况下，利用PWM技术对提出的制导律进行验证。对机动目标进行拦截仿真显示，提出的制导律在取得良好拦截精度的同时表现出较强的鲁棒性。     

基于预测脱靶量的远程拦截速度增益导引

 针对拦截器使用耗尽关机固体燃料发动机的情况,设计了大气层外目标拦截的速度增益导引方法。导引律中根据Lambert导引确定指令推力方向初值,利用剩余速度增量信息,计算惯性速度增益下的预测脱靶量,使用Kepler轨道摄动方程计算消除脱靶量所需的速度增益修正,根据惯性速度增益和速度增益修正之和确定指令推力方向。给出了一种计及J2项引力摄动影响的滑行段弹道预测半解析方法,减少导引律运算量,降低导引方法误差;导引律中引入了剩余速度增量测量环节,增强了导引精度对推进系统参数的鲁棒性。与传统的通用能量管理（GEM）导引相比,采用该导引律拦截远程目标时指令推力方向平稳、变化范围小,脱靶量降低了两个数量级。     

针对大气层外目标的双弹协同拦截中制导律设计

论文以大气层外弹道导弹目标为研究对象,考虑拦截弹中段发动机推力固定耗尽关机方式,针对多拦截弹拦截目标问题,提出一种基于零控脱靶量的双弹协同拦截中制导律。在基于零控脱靶量的中制导律的基拙上,以两枚拦截弹的预期拦截点作为协调变量,在两枚拦截弹在零控脱靶量满足末段制导要求情况下,调整两弹的预期拦截点使其一致。分析满足协同拦截的两枚拦截弹的中段初始条件,设计了相应的应对策略。该制导律具有通信负担低,鲁棒性较强的特点。仿真算例表明,所设计的双弹协同中制导律可以有效协调两枚拦截弹实现协同拦截。     

考虑目标安全性的最优协同拦截制导律研究

针对目标和其发射的拦截弹对来袭攻击弹进行协同拦截问题,设计了一种最优协同拦截制导律。建立描述目标、攻击弹和拦截弹三者相对运动关系的模型,引入零控脱靶量对模型进行降阶处理。考虑拦截弹对攻击弹的拦截精度、拦截末端时目标的安全性以及目标、拦截弹的控制能量问题,基于攻击弹-拦截弹零控脱靶量、攻击弹-拦截弹终端横向相对运动速度零控脱靶量、目标-攻击弹零控脱靶量以及目标和拦截弹的加速度,建立了性能指标函数,同时考虑目标和拦截弹加速度的有限性,基于极小值原理设计了最优协同拦截制导律。仿真结果表明,相比目标和拦截弹独立飞行的情况,采用协同拦截制导律,在考虑了目标安全性的前提下,机动性较弱的拦截弹能够以较平直的弹道成功拦截攻击弹。     

大气层外动能拦截器末制导分析

以大气层外动能拦截器拦截战术导弹弹头为研究目的，建立了拦截器的六自由度运动学，动力模型，以及拦截器的轨控和资控发动机推力特性和控制模型。提出了修正比例导引律的实现方案，进行了末制导过程的仿真，并分析了影响脱靶量的一些因素。仿真结果表明，在轨控和姿控发动机的作用下，拦截器可以直接命中目标。     

临近空间动能拦截器制导控制算法研究

为了实现动能拦截直接碰撞目标,分析了反临近空间作战动能拦截器的工作特点和姿/轨控发动机的工作方式;借鉴零控脱靶量原理,设计了一种以轨控发动机开启时间为制导指令的制导律;考虑到拦截器捷联导引头没有稳定平台,设计了姿态控制律,利用姿控发动机实现拦截器的三轴稳定和目标跟踪。仿真结果表明,拦截器能够直接碰撞目标,验证了制导控制算法的有效性。     

大气层外拦截弹中段制导方法研究

针对大气层外拦截弹飞行中段采用固体燃料发动机，且关机后需要经过较长的无控滑行段才能进入末制导段的情况，提出一种基于拦截弹修正能力，且考虑无控滑行段拦截弹与目标引力差影响的中制导律。仿真表明，采用该制导律的拦截弹在发动机工作期间推力方向变化平稳，且可获得较高的制导精度。     

最优拦截制导律

本文应用最优控制的方法,讨论了将拦截器视为—阶滞后环节,到达“零控拦截曲面”上的拦截问題。得到了闭环最优制导律。已知,将拦截器和目标均视为质点,固定时间,能量指标的最优制导律是比例导航。由于实现它,设备筒单,目前仍使用。但随着导弹技术的发展,制导精度要求越来越高。因此,需要考虑影响制导精度的因素。在诸因素中,拦截器的动态响应过程和目标加速度是两项主要因素。然而,要把拦截器的动态响应过程给与精确描述,一则不可能;二则既使可能问题又变得异常复杂无法解决。为此,我们将拦截器视为—阶滞后环节,讨论其拦截问题是有意义的。     

助推段防御比例导引法研究

基于助推段防御和比例导引法,分析了拦截弹与目标导弹的相对运动关系并给出了比例导引方程;采用差分法分析了拦截弹与目标导弹的位置关系、构建了数学模型并推导了拦截弹的差分方程;以拦截时间和拦截弹道为研究对象,分析了拦截弹的速度和比例系数对拦截时间和拦截弹道的影响,并对比例导引法的拦截弹道进行了三维仿真。仿真结果表明,助推段防御使用变系数比例导引法,可有效缓解拦截时间与拦截弹机动性之间的矛盾。     

Multidisciplinary Design and Optimization of Multistage Ground-launched Boost Phase Interceptor Using Hybrid Search Algorithm

This article proposes a multidisciplinary design and optimization (MDO) strategy for the conceptual design of a multistage ground-based interceptor (GBI) using hybrid optimization algorithm, which associates genetic algorithm (GA) as a global optimizer with sequential quadratic programming (SQP) as a local optimizer. The interceptor is comprised of a three-stage solid propulsion system for an exoatmospheric boost phase intercept (BPI). The interceptor's duty is to deliver a kinetic kill vehicle (KKV) to the optimal position in space to accomplish the mission of intercept. The modules for propulsion, aerodynamics, mass properties and flight dynamics are integrated to produce a high fidelity model of the entire vehicle. The propulsion module comprises of solid rocket motor (SRM) grain design, nozzle geometry design and performance prediction analysis. Internal ballistics and performance prediction parameters are calculated by using lumped parameter method. The design objective is to minimize the gross lift off mass (GLOM) of the interceptor under the mission constraints and performance objectives. The proposed design and optimization methodology provide designers with an efficient and powerful approach in computation during designing interceptor systems.     

Linear Quadratic Differential Game Strategies with Two-pursuit Versus Single-evader

In order to intercept the future targets that are characterized by high maneuverability, multiple interceptors may be launched and aimed at single target. The scenario of two missiles P and Q intercepting a single target is modeled as a two-pursuit single-evader non-zero-sum linear quadratic differential game. The intercept space is decomposed into three subspaces which are mutually disjoint and their union covers the entire intercept space. The effect of adding the second interceptor arises in the intercept space of both P and Q (PQ-intercept space). A guidance law is derived from the Nash equilibrium strategy set (NESS) of the game. Simulation studies are focused on the PQ-intercept space. It is indicated that 1) increasing the target’s maneuverability will enlarge PQ-intercept space; 2) the handover conditions will be released if the initial zero-effort-miss (ZEM) of both interceptors has opposite sign; 3) overvaluation of the target’s maneuverability by choosing a small weight coefficient will generate robust performance with respect to the target maneuvering command switch time and decrease the fuel requirement; and 4) cooperation between interceptors increases the interception probability.     

弹道导弹中段防御的拦截窗口分析

根据弹道导弹中段飞行近似为二体运动的特点，应用二体运动理论分析了弹道导弹中段防御的拦截窗口。假设最低拦截点由拦截弹末段寻的飞行正常工作的最低地面高度决定，最高拦截点由拦截弹投射能力决定，给出了根据当前时刻弹道导弹位置和速度求解拦截窗口的算法。对采用最小能量弹道飞行的弹道导弹，给出了根据射程求解拦截窗口的算法，并对不同射程的最小能量弹道，给出了求解拦截窗口的算例。     

越肩发射反导拦截弹复合制导律研究

研究了优化反导拦截弹的越肩发射制导律,实现了对尾追目标的拦截,采用伪谱法和滑膜变结构理论设计了全弹道复合制导规律。利用Radau伪谱法求解以转弯时间最优为指标泛函的最佳转弯规律,通过曲线拟合给出了初制导转弯段的过载指令。选择零控脱靶量作为滑动模态对末制导律进行设计;利用这两种制导律的加速度指令构造了交接班导引律实现弹道的平滑。最后,对载机越肩发射反导拦截弹拦截来袭导弹的反导场景进行了数字仿真,结果表明所设计的复合制导律能够完成反导拦截任务。     

Reachable set modeling and engagement analysis of exoatmospheric interceptor

A novel reachable set(RS) model is developed within a framework of exoatmospheric interceptor engagement analysis. The boost phase steering scheme and trajectory distortion mechanism of the interceptor are firstly explored. A mathematical model of the distorted RS is then formulated through a dimension–reduction analysis. By treating the outer boundary of the RS on sphere surface as a spherical convex hull, two relevant theorems are proposed and the RS envelope is depicted by the computational geometry theory. Based on RS model, the algorithms of intercept window analysis and launch parameters determination are proposed, and numerical simulations are carried out for interceptors with different energy or launch points. Results show that the proposed method can avoid intensive on-line computation and provide an accurate and effective approach for interceptor engagement analysis. The suggested RS model also serves as a ready reference to other related problems such as interceptor effectiveness evaluation and platform disposition.     

Estimation of singularities for intercept point forecasting

In this paper, a recursive approach (an algorithm for estimation of singularity (AES)) is proposed to forecast the intercept point of a target and the pursuing interceptor recognized as the estimated singularity of a nodal cubic curve fitted to the data. The data comprises direction of arrival (DOA) estimates of both target and interceptor obtained at regular intervals of time using the maximum likelihood (ML) DOA estimation method. The estimates of coefficients of the cubic polynomial are given by a recursive least squares solution. From these coefficients, closed-form solutions for angle of interception and intercept time are obtained which are the forecasted coordinates of the intercept point. Experimental results demonstrate performance of the proposed algorithm