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。     

远程拦截飞行诸元快速装订算法

传统诸元解算仅强调终端打击精度而忽略目标的高速运动趋势,易引起拦截末段过载饱和,影响拦截效能。为解决此问题,针对多级推进的地基远程拦截弹结合解析计算和数据拟合算法,设计一种基于预测拦截点(PIP点)的在线诸元计算方法。首先,该方法通过引入拦截弹到达PIP点时弹目速度交会角约束,基于椭圆弹道理论实现对关机点参数解析求解,进而利用目标距PIP点飞行时间约束设计收敛策略,快速确定发射时刻,求解出发射方位角初值。然后,结合离线建立的近似解析多项式,完成飞行诸元初值求解。最后,利用牛顿法仅少数步迭代即可确定出拦截弹发射诸元精确值。六自由度仿真表明,该方法不仅具有很好的在线能力,拦截精度高,而且适用于大范围机动发射。     

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。     

基于Singer模型的高超声速飞行器轨迹跟踪与预测

目标运动轨迹预测有助于拦截弹在中制导准确飞往预测命中点,降低中制导修正偏差消耗的能量,对于高速高机动类目标的拦截至关重要。针对非弹道式高超声速飞行器的周期跳跃运动特点,提出了结合Singer模型的扩展卡尔曼滤波方法对目标运动状态进行估计。利用滤波估计值及双正弦和函数拟合加速度曲线,进一步递推目标运动轨迹。仿真结果表明,提出的方法对高超声速目标具有较好的弹道跟踪和预测精度。     

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。     

空间拦截防御的射击诸元快速解算算法

针对空间平台发射非制导毁伤单元对近程高速非合作目标进行拦截防御的射击诸元快速解算问题,建立了命中方程,并基于命中方程的一阶解,给出了2种解析算法确定发射时刻、发射速度矢量与提前点坐标之间的函数关系.提出了计算命中时刻、发射速度矢量与发射时刻间函数关系的二分数值方法.最后通过仿真分析了算法的方法误差及适用范围.     

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。     

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.     

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。     

基于意图推断的高超声速滑翔目标贝叶斯轨迹预测

为解决高超声速滑翔目标机动给探测防御造成的困难，研究基于意图推断的贝叶斯轨迹预测方法。首先对目标进行动力学建模，利用气动参数设计机动模式集。假定高超声速滑翔目标必定攻击某目标，结合飞行意图合理构造意图代价函数，借鉴贝叶斯理论迭代推导机动模式和运动状态递推公式。通过蒙特卡洛采样实现轨迹预测算法。仿真结果表明，算法能有效提高目标机动不确定条件下轨迹预测的精度，当多目标可能被打击时，通过对预测轨迹进行在线重新规划，降低目标误判给轨迹预测造成的不利影响。     

基于上升轨迹可达范围的目标拦截发射窗口计算

针对低轨目标拦截任务,提出一种利用上升轨迹可达范围分析的发射窗口计算方法。首先,建立以上升时长和航程为性能指标的上升轨迹和优化模型,确定拦截器上升轨迹可达范围。然后,根据目标星下点与上升轨迹可达范围外包络的穿越关系以及拦截器的上升时长范围,对发射窗口进行初筛,得到准发射窗口。最后,针对每一段筛选出的准发射窗口,通过精确判定目标星下点与每一上升时长可达范围子环的位置关系,得到每段准窗口中能够实现目标拦截的发射窗口,将其取并集得到针对目标拦截的精确发射窗口。仿真表明本文提出的计算方法能够快速准确得到目标拦截的发射窗口。     

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。     

闭路制导在小型固体运载火箭中的应用

固体运载火箭发动机推力偏差和秒耗量偏差大,导致关机点时间偏差也大,因此偏差轨道和按标称值飞行的标准轨道之间偏差大,传统的摄动制导难以满足对卫星高入轨精度的要求。针对固体运载火箭的上述特点,本文提出具有工程意义的闭路制导方法。实现闭路制导的关键之一是需要速度的求解。本文根据运载火箭的实时飞行状态和卫星轨道元素之间的关系推导出简单实用的需要速度,并应用于发射近圆轨道卫星的小型固体运载火箭的闭路制导控制中。经过数学仿真验证,证明本文中的方法在各种干扰下均具有较高的精度。     

一种针对直接入轨飞行器的主动段轨道快速实现方案

在直接入轨飞行器允许较宽交班范围的情况下，采用离线优化设计轨道保障参数、射前根据发射点和射向对程序角进行修正的方案，将传统的单发设计转化为适应性强的通用设计，减少了轨道设计计算量，缩短了飞行器的射前准备时间。仿真结果表明，所提出的轨道快速实现方法对点位和射向具有较强的适应性，能够有效减小交班点的偏差范围，同时相比优化设计的轨道，终端速度差异较小，在具有一定优化指标的同时可保证在线实施。     

考虑移动目标不确定行为方式的轨迹预测方法

针对现有方法难以预测出符合飞行移动目标不确定行为方式轨迹的问题,提出基于逆强化学习的飞行移动目标轨迹预测方法,通过学习目标行为偏好以及模拟目标行为决策过程的方式预测目标的移动轨迹。首先基于深度神经网络建立目标的行为决策模型与行为偏好模型,然后通过最大熵逆强化学习方法交替地学习模型参数。为了有效地学习目标的不确定行为特征,采用监督学习的方法学习出目标示例轨迹概率分布模型,用于指导目标行为偏好模型的训练以及初始化目标行为决策模型,同时通过对目标行为偏好模型进行预训练的方式提高其训练质量。仿真结果表明,提出的飞行移动目标轨迹预测方法可通过学习到的目标行为决策模型较为准确地模拟目标的行为方式,预测的目标轨迹分布与真实的目标轨迹分布在Kullback Leibler(KL)散度下的相似度可达0.24。     

高超声速滑翔再入定向定速打击末制导算法

以具有终端落角和落速约束的小升阻比短距滑翔高超声速再入打击飞行器为研究对象，通过引入弹道调整段来实现对飞行器的初步大幅度减速，并使其满足中末制导交班条件，以解决飞行器捕获目标后难以直接对其进行定向定速打击的问题。首先设计了一种变角偏差反馈系数的偏置比例制导律，解决了末端攻击段弹道下压困难以及导引头视场稳定跟踪等问题。在此基础上，建立了一种基于攻角和弹道倾角估计的末端减速指令生成方法，有效解决了基于理想速度曲线减速控制方法精度不足的问题。因此，数值仿真结果表明该制导方案能够有效控制飞行器终端落角和落速，并具有较高的制导精度。     

防空导弹尾追拦截目标的遭遇点预测方法

为充分发挥导弹武器系统的全向拦截能力,防空导弹需要面对拦截发射时即处于尾追逃逸态势目标的问题。结合防空导弹任务特点,设计了一种兼顾迎击、尾追拦截态势的遭遇点预测方法。根据导弹与目标在发弹时刻和拦截过程中的相对运动关系,建立常规迎击态势下的遭遇点预测模型。针对尾追拦截的特殊情况,分析预测模型对弹目相对运动关系描述的适用性,并进一步研究目标初始参数对预测模型收敛性的影响。在此基础上优化运动几何关系描述模型,结合收敛条件设计迭代算法,形成尾追拦截态势下遭遇点的预测方法。该方法修正了目标穿越发射点上空引起的模型适用性问题。仿真结果表明:迭代算法对迎击、尾追目标态势均快速收敛,预测精度满足工程应用要求,为导弹全向拦截时的遭遇点预测提供了有效的解决途径。     

高超声速飞行器多约束再入轨迹快速优化

针对高超声速飞行器再入过程中面临测控区和绕飞区的再入轨迹设计问题，提出了一种基于Gauss伪谱法(GPM)的分段轨迹优化策略。将轨迹优化的一般最优控制问题转换为多段最优控制问题，进而将各段轨迹按Gauss伪谱方法进行离散化，将连续多段最优控制问题转换为非线性规划问题(NLP)进行求解。所得再入轨迹能够使得飞行器在满足各种约束条件的情况下成功进入测控区并且有效规避绕飞区，最终到达指定点。此外，本文综合考虑飞行器再入飞行的快速性和工程实用性，并提出了再入时间、弹道倾角以及航向角相关指标的加权性能指标，同时保证了轨迹规划快速、再入轨迹平滑以及控制量变化平缓等实际需求，提高了计算效率。仿真结果表明，本文所提出的分段优化方案能够快速规划出适应不同飞行任务的再入轨迹。