样条节点优化方法及其在弹道表示中的应用

精确的主动段弹道表示模型是高精度弹道参数估计算法的关键。针对等距节点样条模型表示主动段弹道截断误差过大问题,引入一种基于残差的自适应样条节点优化方法,用自由节点样条表示主动段弹道,并根据假设检验理论给出算法中的阈值确定方法。仿真结果表明,经该方法进行节点优化后的样条模型,不但能有效控制模型误差,当检验水平较高时,还能初步识别导弹主动段特征点。     

基于样条拟合和双向滤波的助推段弹道估计

三次B样条拟合在助推段弹道估计中应用广泛,但存在弹道两端点邻域估计误差过大的问题.通过对B样条基函数矩阵的特性进行分析,发现其原因为端点邻域估计时能利用的有效观测数据最少.因此,提出一种基于样条拟合和双向滤波相结合的弹道估计策略：首先将双星观测数据利用无迹变换转换为等效位置观测;然后利用三次B样条拟合弹道;最后基于一种自适应卡尔曼滤波器,采用双向滤波策略改善样条拟合的端点估计精度.仿真结果表明：组合方法使样条拟合的端点估计误差减少40％,同时使估计弹道更平滑.此结果满足实时性要求.     

双星预警系统弹道参数估计及一些问题分析

主要讨论由2颗地球同步轨道卫星组成的卫星预警系统(简称双星预警系统)中弹道导弹参数的估计问题。阐述了主动段运动的建模问题和弹道数据处理方法,考虑到微分求速的重要性,采用了带光滑约束的样条拟合方法。结合预警系统对弹道导弹预警的具体情况,分别讨论了预警系统下的发射原点估计、射向估计、关机时刻估计、关机点弹道参数估计、落点估计等问题。还讨论了系统中存在的两个问题的分析与解决。模型及分析方法均经过理论和仿真的验证,可应用于双星预警系统下的实际预警的研究。     

基于B样条模型的参数化卡尔曼滤波器设计

以标准B样条函数为基础,建立了以位置、样条系数为状态变量的参数化卡尔曼滤波器,用于解决外测数据的实时滤波问题。按照时间更新跨节点与否,分2种情况给出了状态转移方程。在时间更新跨样条节点时,使用样条函数的一阶连续导数条件,估计新增样条节点系数,由此实现滤波器在跨节点处的平滑过渡。通过仿真数据对新方法进行验证,并与已有的2类典型滤波方法进行比较,结果表明,本方法的滤波精度与另一类直接基于弹道信号表示的样条递推滤波方法精度相当,且可表现出更优的收敛性。新方法具有样条参数化模型的相同优点,可对时域信号全时段建模,可利用先验信息设计弹道优选节点而实现滤波性能优化,缺点在于状态更新的策略较为复杂。     

Kalman弹道滤波器的快速收敛性研究

在弹道修正过程中,需根据一段实测弹道参数,准确地估算常规弹箭的飞行弹道。工程中,常应用Kalman滤波方法,结合质点弹道模型建立六状态滤波弹道模型。速度初值估计的准确性,是对滤波过程造成影响的主要因素。为改善这一状况,采用多项式拟合用以对速度状态进行估计并以此作为滤波初始值。在此种估计下滤波,速度滤波过程可快速收敛,位置滤波过程收敛速度大幅度提高,可使最优弹道诸元参数获取时间缩短30%。     

雷测数据准实时处理的随机误差分离方法

为解决雷测数据中的随机误差分离问题,本文建立了雷测数据自由节点B样条非线性最小二乘表示的数学模型,介绍了确定样条节点数的方法,将弹道参数的求解问题分解为线性最小二乘的参数估计问题和非线性优化的求解问题,并通过求解最优节点和弹道参数实现了测量数据野值点的剔除、重构和随机误差分离。工程实践表明,该方法简化了数据处理过程,有效地提高了雷达准实时数据处理的精度。     

用自助法估计外弹道测量数据随机误差分布特性

针对外弹道测量数据的有限性使随机误差的分布估计不够准确的问题,提出了基于Bootstrap（自助）方法的外弹道测量数据随机误差分布特性估计。首先对测量数据采用样条分频技术得到随机误差的初步估计,然后采用三次多项式拟合修正样本经验分布函数,替换传统Bootstrap方法中经验分布函数,得到随机误差的Bootstrap样本,计算Bootstrap样本的统计量,从而得到精度较高的外弹道测量数据随机误差模型。从仿真数据验证结果来看,解决了传统Bootstrap方法仿真随机样本相对比较集中的问题。     

冲压发动机导弹爬升段和巡航段轨迹优化

为了研究冲压发动机导弹爬升段和高空巡航段的燃油最优弹道,提高射程,提出了较为通用的一体化优化设计方法。研究了冲压发动机、导弹气动力与弹道之间的耦合特性,建立了导弹动力学模型,将弹道的最优控制问题转化为参数优化问题。为求解该参数优化问题,针对传统粒子群(PSO)算法求解优化问题时存在的早熟收敛的不足,提出了一种算法结构,改善粒子群算法的性能,求其最优解。数值结果表明:改进的算法相对其他几种粒子群算法具备更优秀的性能。所优化弹道相比导弹试验数据,以飞行时间增加3.3%为代价,节约了4.46%燃油。多组高弹道的仿真结果表明,巡航高度应不超过动压边界前提下,高弹道巡航有利于节约燃油,增加导弹射程。     

基于遗传算法计算弹道节省参数最优节点

提出了计算弹道节省参数模型最优节点的遗传算法。将采样时间范围视为染色体,利用实测数据与弹道节省参数模型拟合的误差设计适应度函数,当种群中最大的适应度经过n次迭代后不再变化时,将其作为算法终止条件,计算出最优节点序列。通过仿真计算表明,该算法计算量小、方法稳定。     

基于弹道动力特性考虑的不完全测量数据处理方法

针对试验任务中数据丢失的情况,讨论了如何结合遥测信息,充分考虑弹道动力特性提供样条节点,最终获得目标高精度的位置和速度参数估计的问题。首先,介绍了样条节点的概念及其反映的物理背景;然后,结合遥测数据处理的相应理论,提出了遥测弹道具有充分反映动力特性、保形的特点;最后,结合最优节点搜索方法和节省参数建模理论,运用样条约束的联合处理手段,采用改进Gauss-Newton法求解非线性方程,给出了相应的实测数据处理算例。结果表明,基于靶场现有高精度测量设备的跟踪数据,充分考虑弹道的动力特性,在某些数据丢失的情况下,仍然可以提供高精度弹道参数。相对于传统的融合低精度测元进行数据补偿的方法,文中所介绍方法对提高全程弹道精度具有重要意义。     

Trajectory Estimation with Multi-range-rate System Based on Sparse Representation and Spline Model Optimization

The classic state methods for trajectory estimation in boost phase with multi-range-rate system include method of point-by-point manner and that of spline-model-based manner. Both are deficient in terms of model-approximation accuracy and systematic error determination thus resulting in the estimation errors well beyond the requirements, especially, concerning the maneuvering trajectory. This article proposes a new high-precision estimation approach based on the residual error analysis. The residual error comprises three components, i. e. systematic error, model truncation error and random error. The approach realizes self-adaptive estimation of systematic errors in measurements following the theory of sparse representation of signals to minimize the low-frequency components of residual errors. By taking median- and high-frequency components as indexes, the spline model-approximation is improved by optimizing node sequence of the spline function and the weight selection for data fusion through iteration. Simulation has validated the performances of the proposed method.     

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。     

基于工程和数值方法的导弹气动特性计算

导弹气动特性对导弹设计及使用具有重大意义,气动特性的确定是弹道计算、控制参数的选择和结构强度设计的原始依据,其优劣直接影响导弹的飞行性能。针对某型导弹风洞模型,采用一般工程计算方法及FLUENT软件,分别从工程与数值两个方面对其在亚声速条件下的气动特性进行研究,然后将计算所得的主要气动力系数与风洞实验结果进行对比,从而对不同计算方法的精度进行评价。结果表明,二者所计算的气动参数在一定范围内满足工程设计的精度要求,能较为准确地反映导弹的气动特性。     

空射弹道导弹助推段弹道设计与优化

在弹道优化设计研究中,针对空射弹道导弹弹道优化两点边值问题解析求解困难且对参数敏感的问题,基于将过程优化问题转化为参数优化问题的思想,采用了飞行程序角设计的参数优化方法。根据空射弹道导弹亚声速水平发射的特点,首先基于动力特性设计了其助推段飞行程序角模型,确定了恰当的控制变量参数化结构,在满足飞行过程的多种约束条件下,建立了弹道优化模型,引入序列二次规划法对其进行优化计算,从而实现了对确定优化目标的轨迹快速生成。仿真结果表明,弹道优化计算时间缩短,收敛速度明显提高,可在原有设计基础上,提升优化指标16%,验证了该方法的有效性。     

Trajectory prediction in pipeline form for intercepting hypersonic gliding vehicles based on LSTM

The interception problem of Hypersonic Gliding Vehicles (HGVs) has been an important aspect of missile defense systems. In order to provide interceptors with accurate information of target trajectory, a model based on an improved Long Short-Time Memory (LSTM) network for trajectory prediction pipeline is proposed for the interception of a skip gliding hypersonic target. Firstly, for trajectory prediction required by intercepting guidance laws, the altitude, velocity and velocity direction of the target are formulated in the form of analytic functions, consisting of linear decay terms and amplitude decay sinusoidal terms. Then, the dynamic characteristics of the model parameters are analyzed, and the target trajectory prediction pipeline is proposed with the prediction error considered. Finally, an improved LSTM network is designed to estimate parameters in a dynamically-updated manner, and estimation results are used for the calculation of the final trajectory prediction pipeline. The proposed prediction algorithm provides information on the velocity vector for midcourse guidance with the effect of prediction errors on interception taken into account. Simulation is conducted and the results show the high accuracy of the algorithm in HGVs’ trajectory prediction which is conducive to increasing the interception success rate.     

Direct dynamic-simulation approach to trajectory optimization

This paper proposes a new direct method for an efficient trajectory optimization using the point that the dynamics of a deterministic system are uniquely determined by initial states and controls imposed over the time horizon of interest. To effectively implement this concept, the Hermite spline is adopted to interpolate the continuous controls and the system dynamics are integrated with corresponding control parameters in prior. As a result, the optimal control problem can be transcribed into a nonlinear programming problem which has no dynamic equality constraints and no intermediate states in its design variables. In addition, the paper proposes an efficient recursive Jacobian estimation technique and introduces a Jacobian transformation matrix to straightforwardly handle the general state constraints. Important properties of the present method are thoroughly investigated through its applications to the trajectory optimization for a soft lunar landing from a parking orbit, including the detailed analyses for the de-orbiting phase. The computed results are compared with those using the pseudo-spectral method to demonstrate an extreme outperformance of the proposed method in the aerospace applications over the traditional direct method.     

有控飞行器气动参数辨识研究

研究了利用极大似然理论进行有控飞行器气动参数辨识的问题，首先介绍了牛顿－拉夫逊（ＭＮＲ）简化算法，然后，提出了采用此入外部激励的办法进行气动参数辨识，这种方法可增强参数的可辨识性，最后提出了构造故障弹道辨识气参数的设想，由于特定的故障弹道和外加激励一样，不同程度地激发了导弹的飞行信息，故辨识结果较好。