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《国防科学技术大学》 2015年
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特征辅助的大机动目标拦截技术研究

樊世杰  
【摘要】:随着现代航空制导技术的不断进步,大机动目标的精确拦截已显现出日益迫切的应用需求。本文研究紧密结合相关应用背景,针对现有导引系统设计技术在大机动目标拦截中存在的缺陷,以决定制导精度的末制导过程为研究对象,以集成雷达特征信息到导引系统设计中为主要技术途径,研究基于雷达特征的快速实时目标运动模式辨识技术、特征辅助的状态估计与混合制导技术,从而改善现有制导回路对目标机动的响应速度并实现分离原理不成立时的次优制导性能,以适应不同应用背景下大机动目标精确拦截的需要。绪论部分首先分析了大机动目标精确拦截的重要意义,指出现有导引系统存在的几点问题;然后根据分离定理是否成立,对现有估计器与制导律设计方法的研究现状作了全面梳理;针对现有研究中面临的主要困难,提出了本文的研究思路和主要解决的几个问题;最后介绍了本文的研究工作安排。第二章研究了如何评估集成特征给末制导系统带来的性能提升问题。首先,给出了特征辅助末制导拦截系统的简单数学模型,详细介绍了系统可观测性的物理概念和可观测性分析的基本原理;其次,结合背景对现有可观测性分析方法的合理性进行分析,指出其存在的局限性;在此基础上,提出了基于奇异值分解的特征辅助末制导系统可观测性分析方法。该方法综合考虑了系统可观测性矩阵的特征值、观测量导数的最高阶数、系统状态的数量级等多个因素,可以清晰地判断出系统的哪些状态量或状态量组合的可观测度在集成特征观测后得到了提升,为后续特征选取、目标加速度估计等研究提供了理论依据。第三章研究了弹目相对姿态与目标运动模式的相关性问题。从传感器坐标系与目标体坐标系间的关系入手,首先,给出了寻的传感器系统的基本模型,定义了传感器坐标系与目标体坐标系间的姿态角和相对角速度;其次,以相对角速度为弹目相对姿态的表征量,分别分析了目标质心运动、绕质心转动以及弹目相对运动对其影响,推导了不同目标运动模式下的相对角速度表达式;进而讨论了相对角速度的大小和方向与目标运动模式的关系,说明不同运动模式下弹目相对姿态存在明显差异,这是利用特征进行机动检测和机动方向辨识,提升大机动目标拦截性能的基础。第四章研究了如何从姿态敏感特征信号中提取目标机动信息的问题。以二维平面拦截侧滑转弯(Skid to Turn,STT)飞行器为背景,首先推导了目标机动方向与逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)像斜率之间的关系,介绍了利用ISAR像进行机动方向辨识的基本原理;其次,分析讨论了影响辨识性能的关键因素和辨识器的参数设置问题;通过对场景特点的仔细分析,提出了完整的机动方向辨识器设计流程。最后,通过仿真实验给出了详尽的辨识器参数选择准则,并对辨识性能作了统计分析。仿真数据和暗室测量数据证明,该辨识器在辨识概率和辨识延迟上都优于传统的基于滤波残差的方向辨识器。第五章研究了利用特征辅助估计器和制导律设计的问题。首先,通过对现有大机动目标拦截中典型估计器的算法结构和估计性能的分析评估,说明了不同方法的优缺点和适用条件,提出了集成机动方向辨识的变结构多模估计器;其次从微分对策解和捕获区角度深入分析了集成方向辨识和减小辨识延迟对制导律设计的重要性,并通过仿真验证了集成目标机动方向信息到制导律设计中给拦截性能带来的提升;最后,根据不同估计器和制导律组合的特点,利用目标机动的方向信息,提出了集成机动方向辨识的估计器与制导律联合设计方法。实验证明,集成目标机动的方向信息能够从估计器和制导律两方面全面提升大机动目标的拦截性能。第六章总结了本文的主要工作及所取得的研究成果,并指出了需要进一步研究的方向。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:E926.4

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