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高超声速飞行器分时拦截信息处理问题研究

易芳  
【摘要】:近年来,以美国为首的诸多国家大力发展临近空间高超声速飞行器,其具有速度极高且同时具有一定机动能力,攻击性强且难于探测等特点,给国家安全带来了巨大的威胁。因而,其防御技术的研究具有重要意义。对高超声速飞行目标实施拦截的难点主要在于探测不准:(1)空天背景中的杂波给探测带来干扰和噪声,如其他电磁波及临近空间环境中各种电磁波的反射、折射;(2)高速飞行的目标会与大气发生强烈作用,产生等离子体影响电磁波的正常传播。高超声速目标的机动过载一般较小,如果中-末交班成功,可认为拦截器具有对于目标的机动优势,所以拦截成功概率主要受探测不准的影响而降低。因此,本文采用多个拦截器分时发射、分时拦截的方案,对于分时拦截方案中的信息处理问题进行了相关研究。本文的研究内容主要包括以下几个方面。首先,对分时拦截方案及方案中涉及的信息处理问题进行了描述。定义相关的坐标系,给出弹-目相对运动方程;通过分时拦截的几何示意图和工作时序图说明方案的具体内容和步骤,给出分时拦截方案中信息传递的计算公式,并对整体的拦截过程按时间分为估计段和预报段,方便后续的分段研究。其次,对高超声速飞行器的运动特性进行了分析,并选定了跟踪模型。通过对高超声速飞行器进行弹道仿真,依据仿真结果分析了高超声速飞行的运动特性,依据高超声速飞行的运动特性选择合适的加速度跟踪模型,结合弹-目相对运动方程,得到拦截器对目标的跟踪模型。然后,对估计段的相关信息处理问题进行了研究。估计段的工作任务是获得两枚拦截器的弹-目相对运动信息以生成制导指令。对此,文中提出两种信息获取方法,分别为基于几何解算的方法和基于协同滤波的方法。对于基于几何解算的方法,通过分析前一枚拦截器的弹-目相对运动信息的估计误差在信息传递过程中对后续拦截器制导误差的影响,得出对前一枚拦截器信息估计精度的要求,并为此设计了末制导律来提高相对运动信息的可观性。通过仿真说明了制导律的有效性。对于基于协同滤波的方法,通过可观度计算可知后一枚拦截器的制导信息的估计精度稳定可靠,但其对目标加速度的跟踪和目标运动信息的计算效果不如基于几何解算的方法。最后,研究了预报段的信息处理问题,给出了两种预报方法,一是基于外推法的目标弹道预报方法,二是基于预警信息的目标弹道预报方法。利用估计段得到的目标加速度的估计预报目标接下来的加速度,用于预报目标的弹道;论文对两种预报方法进行了对比,并针对基于预警信息的预报方法为后续的拦截器设计了基于预测命中点的中制导律;对不同预报时长分别针对“直接外推法预报+比例导引”和“引入预警信息预报+文中设计制导律”两种方法进行了仿真,定性地分析了预报的可行时长,及不同预报时长下合适的处理方法。


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