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。     

基于变质心控制的再入飞行器机动能力分析

变质心控制作为一种新颖的控制方式,可克服传统再入飞行器气动舵等控制方案存在的舵面烧灼等弊端,它通过主动移动飞行器内部若干个质量块,可以有效调整飞行器的姿态并实现飞行器的姿态和机动控制.本文在推导变质心再入飞行器动力学方程的基础上,对该动力学方程进行了必要的简化,从而得到了变质心再入飞行器纵平面内的动力学和运动学方程,并计算得到质量块不同行程下飞行器可产生的法向过载大小.本文的研究对于变质心再入飞行器控制系统的设计提供了必要的理论参考依据.     

超声速飞行器气动伺服弹性稳定性分析

基于分枝模态法,用修正活塞与细长体理论计算超声速飞行器升力面和机身的非定常气动力,考虑了翼身干扰和翼面对舵面的下洗与阻滞作用,通过控制系统输入参数与结构模态参数的关系,输出舵偏产生的非定常气动力的激励关系,建立由模态坐标运动微分方程和控制系统传递函数联合表示的飞行器气动伺服弹性模型,在时域内求解.某飞行器颤振和气动伺服弹性的计算证明该法可行、有效.另外,讨论了结构滤波器参数、敏感元件位置和及弹身固有频率对气动伺服弹性稳定性的影响.     

在轨服务飞行器对共面圆轨道目标接近过程分析

为了研究在轨服务飞行器(On-orbit Service Vehicle,OSV)针对共面圆轨道目标的大范围机动过程,利用经典二体动力学模型和霍曼转移轨道模型,分析了OSV转移过程中的相位调整和能量需求,比较了自然调相和速度调相的特点,提出了待机轨道、停泊轨道、初始相位差、变轨时机和交会时间等参数选择的一般规律,为选择OSV接近目标的机动策略提供了理论参考。     

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.     

最优再入机动的升力控制

本文应用格林理论来分析再入机动的最优升力控制。在最大升力有限制的情况下,在规定的起始高度和最终高度之间,以及规定的飞行再入角的条件下,控制高速飞行器的再入。要求极值的性能指标是最终速度、机动距离、机动时间或热输入。再入机动采用线性控制,且最优机动包括改变升力产生的下降或上升弹道。推导出运动方程的解析解,确定再入起始点的位置和各段弹道的次序。     

基于Orbiter的航天器升力式再入特性仿真

升力式再入是指航天器进入大气层时产生一定可控升力,对提高落点精度具有重要意义。为了研究升力式再入的动力学特性,采用Orbiter模拟器的应用程序接口,在其飞行动力学模型基础上,对航天器从低轨道升力式再入返回过程进行仿真。通过仿真试验,分析热流、过载、动压等参数的变化规律,初步摸清了升力式再入的动力学特性,并对升力式再入和弹道式再入仿真结果参数进行了比较和分析,结果表明升力式再入能很好解决过载和热流峰值高的问题。     

多约束螺旋机动变结构制导律设计

为提高高超声速飞行器俯冲段的精确打击和突防生存能力,提出了一种多约束螺旋机动滑模变结构制导方法。首先,基于双平面解耦思想,分别建立了俯冲平面和转弯平面相对运动方程。其次,基于滑模变结构控制理论,推导了考虑终端角度约束的滑模变结构制导律,并通过在切换面中引入视线角参考指令和机动控制项,实现多约束条件下的螺旋机动精确制导。同时,对制导律中的3个参数进行优化整定,以更好地满足落角、入射方位角、终端速度、过载等约束限制。以CAV-H为例进行仿真分析,仿真结果表明,该方法能够满足俯冲段终端落点和角度约束,精度较高,鲁棒性较好;同时,可实现预期的螺旋机动飞行,提高了飞行器机动突防和生存能力;相关算法可为高超声速滑翔飞行器俯冲段精确打击和机动突防综合性能提升提供参考。     

基于雷达跟踪仿真的滑翔式再入弹道突防性能分析

从防御雷达对再入弹道跟踪效果的角度,对滑翔式再入飞行器的突防性能进行了初步分析。基于Unscented卡尔曼滤波和考虑气动模型的目标跟踪模型,加入雷达测量噪声,计算目标跟踪误差,比较弹道式与滑翔式再入弹道的跟踪效果。仿真结果表明：(1) 滑翔式再入弹道有横向机动且飞行高度较低,雷达的发现时间较晚,可观测时间比较短;(2) 由于雷达的跟踪动力学模型中很难对气动力准确建模,滑翔式弹道借助气动力产生机动,雷达对其跟踪的误差要大于弹道式再入弹道; (3) 在相近的雷达观测条件下,弹道机动性越强,雷达跟踪精度越差;(4) 尽量使防御方所假设的目标动力学模型失配是增加突防能力的有效措施。     

大机动飞行情况下姿态控制系统的设计

本文针对目前战术导弹广泛使用捷联系统这个现状,以及对大机动飞行器采用姿态角误差反馈进行控制有时出现的奇异问题,提出并研究了基于四元数进行大机动战术导弹姿态控制系统的设计问题.首先,给出了大机动飞行情况下基于四元数描述的弹体动力学模型,然后,基于非线性控制系统综合方法设计了姿态控制系统,并验证了系统的稳定性.研究结果表明,基于四元数进行姿态控制系统的设计,既解决了姿态角表示法存在的奇异性问题,又可减少捷联计算机的计算量,对战术导弹具有重要实际意义.最后,通过数值仿真验证了本文提出方法的有效性.     

捷联惯导加速度计尺寸效应误差建模及其标定

高动态条件下,加速度计（简称加计）的尺寸效应将成为捷联惯导系统精确导航的重要误差源。这个误差源于加计组合中三个加计振动中心（有效的加速度测量点）的不重合。从几何角度对加计尺寸效应误差进行了建模。设计了三类基于精密三轴速率转台的加计尺寸标定方案,即匀角速度旋转、匀角加速度旋转和正弦角加速度旋转方案。以旋转过程中捷联惯导系统的速度输出作为量测,利用Kalman滤波器可以实现对加计尺寸系数的有效估计。利用分段定常系统可观性分析方法研究表明,三类旋转标定机动均能使系统状态完全可观测。仿真结果证明了三类标定方案的有效性,而以匀角速度旋转方案估计过程最平稳,以正弦角加速度旋转方案估计精度最高。     

临近空间高超声速目标跟踪算法研究

针对临近空间高超声速飞行器运动特性,综述了交互多模型算法（IMM）相对单模型算法的优越性。以临近空间飞行器一个机动转弯部分轨迹进行仿真试验,仿真并分析了匀速（CV）、匀加速（CA）、Singer、当前统计（CS）、Jerk模型算法及IMM算法优点及局限性。结果表明,IMM算法跟踪机动目标在机动时稳定性、精度、机动适应性方面优于单模型算法,但存在实时性、模型转换可能性先验确定等问题,并针对这些问题提出可能的解决方法。     

基于自适应IMM算法的蛇形机动目标加速度估计研究

针对防空导弹拦截高速蛇形机动反舰导弹的难题,基于导引头测量的视线角速度、弹目相对速度等信息,开展了蛇形机动目标加速度估计算法的研究,最终建立了基于交互多模型的扩展卡尔曼滤波算法,实现了对蛇形机动目标的加速度估计。考虑传统加速度方差计算方法受限于先验值的缺陷,根据残差对加速度方差的计算方法进行了改进。数字仿真证明:提出的自适应交互多模型算法能有效提高蛇形机动目标加速度的估计精度。     

高精度低连接刚度大惯量扫描镜控制系统设计

针对三轴稳定卫星内低连接刚度条件下的大惯量扫描镜负载在低速摆动时易出现机械谐振的问题,基于电流-速度-位置三闭环控制结构,研究并提出一种有效的易于工程实现的优化控制方法,抑制机械谐振同时提高扫描镜系统的控制性能.首先,根据动力学关系对低刚度连接的电机与扫描镜控制对象建立理论的简化控制模型.然后,分析加速度反馈抑制谐振、...     

临近空间高超声速目标跟踪动力学模型

针对临近空间滑跃式高超声速目标(NSHV)跟踪问题,提出一种新型的动力学跟踪模型。首先从动力学方程与横纵向机动样式两个方面分析了NSHV运动特性,将其抽象为滑跃式NSHV气动加速度相关性的一般规律;在此基础上将气动加速度中的阻力与爬升加速度建模为二阶时间相关模型,使其加速度自相关函数同时具备周期性与衰减性,并据此建立了动力学跟踪模型状态方程;此外,为应对有无动力段转换的误差突变问题(有动力的情况),引入强跟踪滤波进行突变点的滤波补偿。最后通过与不同现有算法比较验证了模型的优 越性 。     

Information Support for a Low-Orbit Spacecraft Using Magnetometer and Solar Sensor Readings

The problem of estimation of the orbital and attitude motion parameters of a spacecraft using readings of a three-axis onboard magnetometer and solar sensor with considerable uncertainty of the initial conditions is solved. Primary attention is paid to improvement of the observability of the desired parameters and acceleration of the estimation process.     

一种基于飞行任务的临近空间短距滑翔飞行器弹道预示方法

针对临近空间短距滑翔飞行器机动模式多变、弹道参数变化剧烈等特点,本文设计了一种基于变结构交互式多模型滤波的轨迹预测方法.该方法基于飞行任务结合自适应网格构建时变的机动模型集,解决机动模式多变的问题.通过引入渐消因子、修正Markov概率转移矩阵,提出一种变结构交互式多模型方法辨识机动模型特征参数.最后通过更新机动模型中...     

一种多级助推段弹道导弹跟踪算法

针对多级助推段弹道导弹存在多个加速度突变点、机动性强导致跟踪难度大的问题,提出一种基于量测转换的强跟踪输入估计（STMIE）弹道导弹跟踪算法。在对多级助推段弹道导弹动力学特性分析的基础上,推导出雷达站东北上（ENU）坐标系下弹道导弹的运动方程,并通过将修正的无偏量测转换（MUCM）与STMIE算法融合,使得在导弹跟踪中应用STMIE算法成为可能。以典型的多级助推段弹道导弹为跟踪目标进行仿真校验,结果表明,本文算法对多级助推段弹道导弹目标跟踪性能优越,且算法复杂度较低,效费比高。     

高超声速机动目标天基跟踪鲁棒性滤波方法

为解决高超声速滑翔飞行器(HGV)机动飞行过程中的跟踪问题,提出了一种基于机动观测器补偿的鲁棒扩展卡尔曼滤波方法。针对传统卡尔曼滤波器由于模型误差而无法稳定跟踪的问题,首先建立了HGV动力学模型和天基红外测量模型;随后,设计机动观测器对未知气动加速度进行在线估计;在此基础上,利用机动估计对扩展卡尔曼滤波中的预测步骤进行修正,克服了因模型误差而导致的滤波发散问题;最后,考虑到机动观测器的时延误差,在扩展卡尔曼滤波迭代过程中引入次优渐消因子,提高了滤波跟踪的鲁棒性。与强跟踪滤波、扩维卡尔曼滤波、交互多模型滤波等典型跟踪方法相比,所提方法可在不具备目标机动先验信息的情况下,以较低的计算耗时取得良好的稳定性和跟踪精度。     

基于时差频差角度的低轨双星动目标融合跟踪方法

针对低轨双星时差频差定位系统在对运动目标定位中忽略其运动速度会引起较大的定位偏差以及定位跟踪的初值选取等问题,提出了一种对运动目标的双星时差频差信息融合主星的二维到达角（AOA）信息的融合无源跟踪新方法。首先建立测量模型和等高程目标运动状态模型,在此基础上采用扩展卡尔曼滤波（EKF）方法对运动目标进行跟踪定位。仿真分析表明,该方法可达到克拉美‐罗下限（CRLB ）,且收敛后对目标的速度和航向估计有较大的提高。