弹道导弹弹道仿真与优化设计

摘要

自从第二次世界大战期间德国的V-2弹道导弹诞生以后，作为战略武器的弹道导弹以其巨大的杀伤力、破坏力和威慑力受到世界各国的重视，因此，各国不停地对弹道导弹进行研制、改进和生产。弹道导弹的弹道仿真与优化是弹道导弹总体设计的重要内容，贯穿于弹道导弹研制各个阶段。同一导弹选用不同形状的弹道，会有不同的飞行性能。为正确使用和充分发挥导弹的技术性能，需要对弹道进行优化设计。 本论文针对弹道导弹的任务要求，对弹道导弹的弹道仿真与优化展开了研究工作。本文的主要工作如下： 1)在Matlab/Simulink环境下建立弹道仿真所需的子模块，包括坐标转换模块、地球引力模块、标准大气模块、发动机模块、飞行程序模块等。给出了弹道导弹的主动段运动方程、自由段椭圆运动方程和再入段运动方程。以某二级弹道导弹为例，验证了模型的正确性，分析了引力和附加惯性力等因素对射程的影响。 2)介绍了非线性参数最优化的各种方法，包括一维搜索方法、无约束非线性优化方法和约束非线性优化方法，着重介绍了SWIFT法、SQP法和遗传算法。遗传算法具有全局收敛性，对初值敏感度低，适合复杂动力学系统的优化，但是优化计算消耗的时间长。编写了一系列优化算法程序，包括最速下降法、Hooke-Jeeves模式搜索法、Nelder-Mead单纯形法、BFGS法等，并给出了一组无约束优化算法的测试对比结果。 3)论述了用参数优化法求解弹道优化问题的方法。弹道导弹的弹道优化就是设计俯仰角程序，文中给出了俯仰角程序设计的工程方法。通过选择俯仰角程序的几个特殊参数，将弹道优化这样的动态优化问题转化为参数优化问题。针对弹道导弹飞行弹道的目标和多种约束要求，建立了参数优化数学和仿真模型。 4)用SWIFT法、SQP法和遗传算法对一级导弹进行了最大射程优化，得到了最大射程飞行程序。用SWIFT法、SQP．法和遗传算法对某二级导弹进行了最大射程和最小散布优化，给出了优化结果。 5)概要总结论文工作和成果，并提出了需要进一步解决的问题。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1弹道导弹概述

1.1.1弹道导弹的特点

1.1.2弹道导弹的组成

1.1.3弹道导弹分类

1.1.4 战略弹道导弹发展历史

1.1.5 美俄战略弹道导弹现状和发展趋势

1.2弹道导弹弹道优化设计的现状和发展趋势

1.2.1 最优化问题及其求解方法

1.2.2弹道导弹的飞行弹道

1.2.3 弹道导弹弹道优化设计

1.3研究意义与内容

第2章 弹道导弹飞行弹道

2.1坐标系及其转换

2.1.1坐标系旋转变换

2.1.2 常用坐标系的定义和转换关系

2.2气动力与气动力矩

2.2.1大气模型(USSA76)

2.2.2气动力和气动力矩

2.3地球引力

2.3.1地球引力模型(WGS 1984)

2.4推力、控制力和控制力矩

2.4.1 火箭发动机推力

2.4.2 游动发动机产生的控制力和力矩

2.5弹道导弹的运动方程组

2.5.1 主动段的运动方程

2.5.2被动段的运动方程

2.6弹道仿真与分析

2.7小结

第3章 参数优化问题的数值解法

3.1一维搜索方法

3.1.1 Fibonacci法

3.1.2平分法

3.1.3插值法

3.1.4 Wolfe法

3.2无约束优化问题数值算法

3.2.1直接搜索法

3.2.2梯度搜索法

3.3约束优化问题数值算法

3.3.1直接处理法

3.3.2 间接处理法

3.4序列加权因子法

3.4.1 基本原理

3.4.2 计算步骤

3.5序列二次规划法

3.5.1基本原理

3.5.2 计算步骤

3.6遗传算法

3.6.1基本原理

3.6.2计算步骤

3.7优化算法比较

3.8 小结

第4章 弹道导弹弹道优化模型

4.1转化为参数优化问题

4.2俯仰角程序

4.2.1 对俯仰角程序选择的要求

4.2.2俯仰角程序选择的方法

4.3优化模型

4.3.1 目标函数

4.3.2 优化变量

4.3.3 约束函数

4.3.4优化模型

4.4 小结

第5章 弹道导弹弹道优化实例

5.1一级近程弹道导弹

5.1.1 导弹相关数据

5.1.2最大射程优化模型

5.1.3结果与分析

5.2 二级洲际弹道导弹

5.2.1导弹基本数据

5.2.2最大射程优化

5.2.3最小散布优化

5.3 小结

第6章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢