高超声速滑翔飞行器运动特性分析及弹道跟踪预报方法研究

摘要

由于机动能力强、滑翔距离远等诸多优点，高超声速滑翔飞行器受到各军事大国的重视。论文紧跟发展前沿，针对高超声速滑翔飞行器飞行走廊、弹道特性、机动特性、弹道跟踪与预报等问题开展了研究。
　　首先，从影响因素、存在性判据和不确定项角度的分析了飞行走廊，推导了平衡滑翔弹道和跳跃滑翔弹道运动参数的解析表达式。1)建立了高超声速滑翔飞行器的运动模型以及简化条件下的运动方程，为后续的研究奠定了基础。2)在D-V和H-V剖面内建立了飞行走廊数学模型，探讨了飞行走廊影响因素；提出了一种简单的飞行走廊存在性判据，避免了复杂的计算；分析了不确定项对飞行走廊存在性的影响。3)在平衡滑翔条件下，推导了高度、速度倾角与速度之间的函数关系式，分析了动压、过载与热流密度随速度变化的规律并给出了常升阻比时运动状态参数之间的解析表达式。4)将初始状态相对于平衡滑翔条件的偏离量分为小扰动和大偏差两类。采用定性和定量方法分析了小扰动条件下的跳跃弹道的基本规律并求解了运动参数的近似解析表达式；采用数值仿真方法对大偏差条件下的跳跃弹道进行了分析。
　　其次，从机动模式和机动能力的角度系统分析了高超声速滑翔飞行器的机动特性，提出了三种评价机动能力的性能指标。1)对纵向平面的跳跃机动、侧向平面内的摆动式机动和转弯机动以及空间螺旋机动和钟摆机动在内的飞行器典型机动模式进行了分析，并推导出相应的控制变量变化规律。2)将飞行过程中的热流密度约束、动压、过载和控制变量约束转化为攻角约束，建立了攻角走廊，更直观的验证飞行器机动实现情况。3)提出了表征高超声速滑翔飞行器机动能力的性能指标，包括机动可达能力、侧向机动转弯能力和侧向机动绕飞能力，重点对机动可达能力进行了分析，基于高斯伪谱法求解了可达区域。
　　再次，提出了基于气动参数估计和基于改进当前统计模型的两种高超声速滑翔飞行器跟踪方法。1)建立了雷达观测模型，为避免直接观测量因条件数过大导致滤波出现不收敛的问题，利用误差传播理论将直接观测量转换为伪观测量。2)提出了一种基于气动参数估计的飞行器跟踪方法。将气动力以气动参数形式表示出来并建模成Gauss-Markov过程，从而避免了气动力的复杂转换，减少了未知参数个数。仿真结果表明该方法跟踪效果较好。3)将未知量气动加速度和摄动项用当前统计模型进行表征，简化了动力学模型。为克服传统当前统计模型的局限性，提出了一种结合方差自适应调整和机动频率多模型的改进当前统计模型跟踪方法。仿真结果表明该方法跟踪效果较有明显地提高。
　　最后，提出了考虑典型控制规律和基于最佳机动模型的两种高超声速滑翔飞行器弹道预报方法。1)提出了一种考虑典型控制规律的弹道预报方法。该方法假设飞行器已知，对飞行器控制变量进行建模与辨识，将控制变量进行重构后对其进行预报，进而对飞行器弹道进行预报。2)提出了一种基于最佳机动模型的弹道预报方法。该方法在飞行器未知条件下，将跟踪的加速度结果与事先构建好的加速度模型进行匹配，确定出最佳的机动模型，进而对飞行器弹道进行预报。3)仿真分析表明，两种方法对无倾侧翻转时的高超声速滑翔飞行器的弹道均能达到较高的预报精度。
　　论文系统深入地研究了高超声速滑翔飞行器的运动特性，并对其弹道跟踪预报方法进行了初步地探索。论文的研究工作为发展以及防御此类飞行器具有重要的意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景、目的和意义

1.2高超声速滑翔飞行器项目研究现状

1.3相关技术研究进展

1.4研究内容

第二章 高超声速滑翔飞行器运动建模及弹道特性分析

2.1高超声速滑翔飞行器运动建模

2.2飞行走廊数学描述及分析

2.3平衡滑翔弹道特性分析

2.4跳跃滑翔弹道特性分析

2.5小结

第三章 高超声速滑翔飞行器机动特性分析

3.1高超声速滑翔飞行器典型机动模式与控制策略分析

3.2多约束条件下机动模式实现与仿真

3.3高超声速滑翔飞行器机动能力性能指标

3.4小结

第四章 高超声速滑翔飞行器跟踪方法

4.1非线性滤波理论

4.2雷达观测模型

4.3基于气动参数估计的高超声速滑翔飞行器跟踪方法

4.4基于改进当前统计模型的高超声速滑翔飞行器跟踪方法

4.5小结

第五章 高超声速滑翔飞行器弹道预报方法

5.1高超声速滑翔飞行器弹道预报基本问题

5.2考虑典型控制规律的弹道预报方法

5.3基于最佳机动模型的弹道预报方法

5.4小结

第六章 结论与展望

6.1论文研究成果及创新点

6.2研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A CAV-H模型