结合环境感知的钻地弹轨迹定位

摘要

随着军事科学技术的发展，现代战争已经从地面、海上和空中的较量发展到地下、深海和太空。为了防御大规模杀伤性武器的袭击，世界各国尤其是一些发展中国家，纷纷将掩体或军事设备转移至地下深处，而军事强国则不断地研制专门攻打这类地下目标的重要武器，此时，钻地弹应运而生。钻地弹是一种专门侵入地下靠近目标或进入目标内部后才引爆以摧毁目标的战斗部，在对钻地弹的研究中，侵彻能力和轨迹控制力是评价其性能好坏的两大重要指标。
　　本文主要对钻地弹的侵彻深度和侵彻轨迹进行了深入研究：在侵彻深度方面重点分析了钻地弹在侵彻过程中的受力情况，结合量纲分析建立了侵彻深度和侵彻速度之间的数学模型；在侵彻轨迹方面主要通过定位和跟踪两方面的内容来完成。
　　首先在充分了解了国内外关于钻地弹侵彻机理的研究基础上，结合靶场环境，详细地分析了钻地弹在侵彻过程中的受力情况及其影响因素，针对Poncelet阻力公式中存在的量纲不符现象，提出了一种新的深度预估公式，并通过试验数据将本文提出的公式和三个经典经验公式预估深度的结果进行了比较，以此验证了该方法的可靠性。
　　接着分析并推导了TDOA、FDOA定位系统的基本原理和定位方程组，针对时差与频差单独定位时存在的缺点和不足，采用TDOA-FDOA联合定位的方法来对钻地弹进行轨迹定位：先利用TDOA方法求出多个连续的轨迹点，进而求出弹体速度的大小和方向，最后利用FDOA方法对其进行修正。由于TDOA定位是弹体定位的先决条件，本文主要对TDOA定位算法进行研究。对目前常用的两种时差求解算法进行分析，针对常用算法的缺点，提出了一种新的约束总体最小二乘算法，创新点在于引入量测误差中的接收站位置误差。时差定位的仿真实验结果证明，提出的新算法较传统算法而言可以达到较好的定位效果；时-频差联合定位的仿真结果表明联合定位的精度要比TDOA方法单独定位时的精度高。
　　最后以过载响应为基础建立了钻地弹定位跟踪问题的数学模型，分析讨论了解决跟踪问题常用的非线性滤波技术，着重对EKF和UKF两种滤波算法进行了介绍，并通过仿真比较了二者的跟踪性能；针对其中跟踪效果较好的UKF算法中噪声统计特性未知的情况，本文应用时间序列模型，提出了基于自校正的无迹卡尔曼滤波算法，三个不同靶体环境下的仿真结果表明改进的无迹卡尔曼滤波算法可以感知靶体的不均匀性，得到更小的钻地弹轨迹跟踪误差，基于实测的过载数据的综合仿真结果验证了改进的无迹卡尔曼滤波算法能够很好地完成对钻地弹轨迹的定位，具有一定的实用性及工程应用价值。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3主要工作与内容安排

第二章 基于靶场环境的钻地弹侵彻深度建模

2.1弹体侵彻土壤介质的研究方法

2.2弹体侵彻阻力的影响因素分析

2.3基于量纲分析的侵彻深度建模研究

2.4试验与结论分析

2.5本章小结

第三章 基于TDOA-FDOA的弹体定位

3.1系统定位原理

3.2系统定位算法研究

3.3定位精度分析

3.4本章小结

第四章 基于非线性滤波的钻地弹轨迹跟踪

4.1钻地弹定位跟踪问题的数学模型

4.2经典非线性滤波

4.3基于自校正的无迹卡尔曼滤波算法

4.4基于弹体过载响应的轨迹定位与跟踪综合仿真

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

致谢

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