临近空间飞行器定位跟踪及拦截弹制导问题研究

摘要

由于临近空间飞行器飞行速度快，机动能力强，作为进攻性武器具有很大的发展潜力。因此，研究临近空间防御问题，实现对临近空间飞行器的有效拦截，对未来国家安全具有重要的战略意义。要实现临近空间有效防御，还有大量难点问题需要解决，包括临近空间目标预警问题；临近空间目标有效探测问题；对临近空间内具备机动能力的目标进行有效跟踪滤波的问题；以及反导拦截弹的中段制导控制问题；临近空间中拦截弹气动、推力组合控制问题等等。本文以拦截助推滑翔式临近空间飞行器为背景，重点研究这一复杂系统中，如何对目标飞行器进行有效探测及跟踪滤波，以及如何对拦截弹进行初段及中段制导等问题，主要包括以下几个部分。
　　首先，综合考虑助推滑翔式临近空间飞行器的具体特点，基于天基预警卫星系统对目标飞行器进行探测。本文建立了预警卫星观测模型，并提出了采用多颗预警卫星对目标飞行器进行探测的方案，详细研究了基于天基预警卫星系统的无源定位问题。本文针对预警卫星系统的不同探测情况，分别研究了多种无源定位算法，包括纯几何方法，总体最小二乘算法等。研究角度测量信息含误差情况下，使用预警卫星系统尽可能准确地对目标实现无源定位，并在定位速度和精度两个方面对多种方法进行性能对比。
　　其次，研究了如何在无源定位信息基础上，对具备机动能力的临近空间飞行器进一步跟踪滤波。本文针对临近空间飞行器的具体飞行特点，基于交互式多模型滤波算法(IMM)的基本思想，研究对目标飞行器的跟踪滤波算法；本文充分调研各类资料，对飞行器的运动规律进行简单分析，研究临近空间飞行器可能的运动模式，并在分析结果的基础上，合理选择目标飞行器的机动模型集；并针对目标飞行器的具体特点，对目标模型集合进行自适应改进。最终在跟踪滤波信息基础上，使用数值积分方法，考虑目标飞行器多种飞行约束，对目标进行弹道预报。
　　再次，在预报弹道基础上，研究拦截弹飞行方案设计问题。建立了拦截弹动力学模型，合理选择拦截弹发射诸元，并采用迭代最小二乘算法对拦截弹弹道诸元进行迭代计算，并通过弹道积分时间反算拦截弹发射时间。本文还分析了拦截弹的发射诸元的性质，以方便迭代初值的选取并验证迭代算法收敛性。本文针对具体仿真场景快速计算拦截弹发射方案，解决了对临近空间飞行器目标实现反导拦截所必须的拦截弹发射方案设计问题。
　　接下来，本文研究了当拦截弹在初段完成预设程序飞行后，在飞行中段如何进行制导的问题。本文采用基于零控脱靶量(ZEM)的预测制导理论基本思想，针对拦截临近空间飞行器的具体特点，对模型进行合理简化，研究ZEM的计算方法，并得到精度较高的ZEM解析解。然后在 ZEM解析解基础上，基于线性简化模型和线性系统二次型最优制导理论，求解拦截弹飞行中段制导指令解析表达式。解决了拦截临近空间飞行器时，拦截弹中段弹道实时制导问题。
　　最后，是对本论文所有研究内容的综合体系仿真。本文简单设计了一组合理的天基预警卫星系统星座布置方案，并简单设计了助推滑翔式临近空间飞行器的优化弹道。然后在预警卫星星座布置方案和目标优化弹道基础上，对拦截临近空间飞行器的全过程进行综合仿真，以综合评价本论文所提出的总体方案的可行性。

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2相关内容研究进展综述

1.3本文的主要研究内容

第2章 基于天基预警卫星系统的无源定位算法

2.1引言

2.2预警卫星观测模型

2.3一般最小二乘算法在处理本文问题中的不足

2.4预警卫星几何定位算法

2.5基于奇异值分解的无源定位算法

2.6基于总体最小二乘思想的预警卫星定位算法

2.7多种无源定位方法精度仿真对比

2.8本章小结

第3章 基于定位信息的临近空间目标跟踪

3.1引言

3.2交互式多模型算法的跟踪滤波基础

3.3临近空间飞行器运动规律分析

3.4临近空间飞行器跟踪滤波模型集选择及自适应改进

3.5临近空间飞行器轨迹预报

3.6临近空间飞行器跟踪滤波仿真

3.7本章小结

第4章 拦截临近空间飞行器拦截弹飞行方案设计

4.1引言

4.2拦截弹飞行方案及其诸元选取

4.3拦截弹飞行方案诸元快速设计算法

4.4拦截弹方案弹道设计仿真计算

4.5本章小结

第5章 拦截临近空间飞行器拦截弹中段制导

5.1引言

5.2拦截临近空间飞行器零控脱靶量计算

5.3拦截弹中制导律设计

5.4本章小结

第6章 拦截临近空间飞行器综合仿真

6.1引言

6.2低轨道天基预警卫星系统星座方案简要设计

6.3临近空间飞行器轨迹优化设计

6.4临近空间拦截综合仿真

6.5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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