基于拦截几何的高速机动目标拦截中制导策略与方法

摘要

随着超燃冲压发动机技术的日益成熟，临近空间的特殊战略价值受到广泛关注，临近空间高超声速飞行器这类精确打击武器得到了快速发展，因此，发展高超声速飞行器的防御技术尤为重要。防御高超声速飞行器的难点主要有三个方面：（1）高超声速飞行器飞行速度极快，降低了预警系统的发现概率，同时也对拦截弹的速度提出了更高的要求；（2）高超声速飞行器机动能力强，并且具有不确定性，给拦截系统带来了很大困难；（3）高超声速飞行器在临近空间飞行，在这种环境中光学探测面临复杂的气动光学效应问题，而且拦截弹在高速飞行时还会产生气动加热效应，这些因素增大了高超声速飞行器的探测难度。因此，本文通过考虑目标所有可能的速度方向，得到由所有可能的命中点组成的拦截几何，并基于拦截几何分析拦截弹的中末制导交接班条件，采用高斯伪谱法设计拦截弹中制导律，以提高对高超声速目标的拦截精度。本文的主要研究内容包括以下几个方面。
　　首先，通过考虑目标所有可能的速度方向，并根据导弹和目标之间的相对运动关系，推导得到所有可能的命中点的位置，这些命中点所组成的几何称为拦截几何，拦截几何的建立为之后的高超声速目标拦截弹中末制导交接班条件分析奠定了基础。
　　其次，基于拦截几何分析高超声速目标拦截弹的中末制导交接班条件。根据拦截几何的研究结果给出拦截高超声速目标所要满足的前提条件，称之为拦截条件；之后，通过推导得出拦截弹为成功拦截目标或满足规定的脱靶量要求在中末制导交接班时刻所要满足的位置条件和角度条件，并通过仿真对该方法进行验证。
　　然后，基于高斯伪谱法设计高超声速目标拦截弹的中制导律。以拦截弹中末制导交接班角度条件、交班距离和视线角速率为约束条件，以剩余飞行时间n次方的倒数乘以控制输入的平方的积分为性能指标，将拦截弹中制导律设计问题转化为最优控制问题。采用高斯伪谱法将该最优控制问题转化为非线性规划问题，通过求解非线性规划问题得到最优控制问题的解，并通过仿真验证了该中制导律的有效性。在实际制导过程中，要求中制导律的制导指令为轨控发动机能够输出的离散的指令值。对此，本文提出了两种考虑轨控发动机特性的中制导律设计方法，分别是直接法和阈值法，并通过仿真对这两种方法的有效性进行验证。
　　最后，针对不同的目标机动形式对拦截弹中制导和中末制导交接班整个过程进行仿真分析。在仿真过程中，拦截弹的中制导过程分为不考虑轨控发动机特性和考虑轨控发动机特性两种情况进行仿真。仿真结果表明，本文提出的高超声速目标拦截方案能够保证拦截弹成功拦截目标或满足规定的脱靶量要求。

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中文摘要

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第1章 绪 论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3论文主要研究内容及章节安排

第2章 目标机动不确定情况下拦截几何的建立

2.1 引言

2.2 目标不机动情况下的拦截三角

2.3 目标机动不确定情况下的拦截几何

2.4 本章小结

第3章 拦截高超声速目标中末制导交接班条件分析

3.1 引言

3.2 高超声速目标拦截条件

3.3 中末制导交接班条件

3.4不同目标机动形式下的仿真结果及分析

3.5 本章小结

第4章 高超声速目标拦截中制导律设计

4.1 引言

4.2 拦截弹中制导最优控制问题数学描述

4.3 基于高斯伪谱法的中制导律设计方法

4.4 仿真结果及分析

4.5 本章小结

第5章 高超声速目标拦截制导仿真及分析

5.1 引言

5.2 仿真流程

5.3 不同目标机动形式下的仿真结果与分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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