拦截机动目标末制导技术研究

论文摘要

拦截机动目标技术是现代导弹防御系统研究的热点,也是未来动能防御技术发展必须解决的关键技术之一。本文以拦截机动目标技术需求为主线,系统研究了动能拦截系统的拦截模式、导引头对目标的捕获概率、拦截机动目标的末制导律以及目标机动信息估计方法等问题,主要内容及成果如下:分析了动能防御系统的拦截模式。1)建立了拦截器动力学模型,研究了广义顺轨拦截与广义逆轨拦截两种拦截模式各自的特点;2)对比了两种拦截模式对拦截器在末制导段最大修偏能力的影响,讨论了两种拦截模式下拦截弹道的过载分布、弹道稳定性等弹道特性;3)分析了顺轨拦截模式在实际应用中存在的问题,并提出了初步的解决方案。提出了拦截器中末制导交班时导引头对目标捕获概率的计算方法并对其影响因素进行了分析。1)将捕获概率转化为拦截器和目标相对位置矢量落在一个圆锥体内的概率问题,并进一步转化为三维概率密度函数在圆锥区域内的积分;2)讨论了该积分的计算方法,得到了捕获概率的解析表达式,并根据实际问题的特点提出了一些假设,将捕获概率表达式进行了简化;3)分析了弹目距离、导引头最大捕获距离、最大视场角和相对位置误差对捕获概率的影响。研究了拦截机动目标的末制导律,进而提出了一种新的目标机动信息的估计方法。1)基于微分几何方法分别在二维平面和三维空间内对拦截问题进行了分析,推导了相对运动方程及末制导律;2)为便于实际应用,将微分几何制导律转化为基于时域的表达方式并对制导律的应用方法进行了归纳;3)提出了采用与ARMA新息模型相结合的样条滤波估计目标机动信息的方法,通过ARMA新息模型将目标运动的历史信息用于对当前状态的估计中,提高了状态估计精度。针对末制导初始时刻目标与拦截器相对距离测量误差较大而引起末制导过程中目标机动信息估计不准的问题,提出了一种基于拦截器自身主动机动提高相对距离测量精度的方法。1)在末制导初始阶段,拦截器按一定的路线进行主动机动,以机动过程中视线角序列作为观测量,分别采用非线性滤波方法和微分改进方法估计目标的相对状距离等信息,仿真结果显示采用此方法可以满足末制导的需求;2)采用可观测度分析的方法对不同的主动机动路线进行了对比,由分析结果可知在垂直视线方向的机动最为有效。利用本文研究的末制导律和目标机动信息估计方法,结合基于四元数理论的大姿态角机动控制策略建立了较为完整的六自由度仿真系统。分别对逆轨拦截模式与顺轨拦截模式下的拦截过程进行了数值仿真,对相关技术进行了验证。本文深入探讨了拦截机动目标末制导的相关技术问题,在研究中结合了联合误差协方差分析、时间序列分析等多个技术领域,为此类问题的研究提供了新的思路,具有一定的理论意义;同时本文提出的主动机动测量相对距离信息等方法和对拦截模式的分析成果对拦截机动目标技术的进一步发展具有重要的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 GMD 系统组成与作战流程
• 1.1.2 弹道导弹防御系统的发展趋势
• 1.1.3 论文研究目的与意义
• 1.2 相关技术研究现状
• 1.2.1 拦截脱靶量分析
• 1.2.2 拦截机动目标的末制导律
• 1.2.3 目标机动信息估计方法分析
• 1.3 论文主要内容及创新点
• 1.3.1 论文主要内容
• 1.3.2 论文主要创新点
• 第二章 动能防御系统拦截模式分析
• 2.1 基准坐标系及其转换关系
• 2.1.1 基准坐标系定义
• 2.1.2 基准坐标系间的转换关系
• 2.1.3 欧拉角的解算方法
• 2.2 拦截器动力学模型
• 2.2.1 拦截器质心动力学方程
• 2.2.2 拦截器绕质心动力学方程
• 2.3 动能拦截的拦截模式分类
• 2.4 顺轨拦截与逆轨拦截对比研究
• 2.4.1 两种拦截模式下拦截器修偏能力对比
• 2.4.2 两种拦截模式下拦截弹道特性对比
• 2.5 应用顺轨拦截模式需注意的问题
• 2.6 小结
• 第三章 导引头目标捕获概率分析
• 3.1 捕获概率问题分析
• 3.2 捕获概率的解析解
• 3.3 概率积分的计算方法
• 3.3.1 协方差矩阵对角化
• 3.3.2 二重积分近似计算方法
• 3.3.3 三重积分近似计算方法
• 3.4 捕获概率近似计算精度分析
• 3.4.1 二重积分近似计算精度
• 3.4.2 三重积分近似计算精度
• 3.5 捕获概率的影响因素分析
• 3.5.1 弹目距离的影响
• 3.5.2 最大捕获距离的影响
• 3.5.3 最大视场角的影响
• 3.5.4 位置误差的影响
• 3.6 小结
• 第四章 拦截机动目标末制导律研究
• 4.1 微分几何理论
• 4.1.1 弗雷耐—赛雷公式
• 4.1.2 空间曲线理论与飞行力学关系
• 4.2 二维平面拦截问题的微分几何分析
• 4.2.1 相对运动的动力学方程
• 4.2.2 二维拦截构形微分几何方法分析
• 4.2.3 拦截制导律
• 4.3 三维空间拦截问题的微分几何分析
• 4.3.1 相对运动的动力学方程
• 4.3.2 拦截制导律
• 4.3.3 制导律的应用方法
• 4.4 目标机动参数估计方法
• 4.4.1 基于ARMA 新息模型的时间序列分析方法
• 4.4.2 视线信息滤波方法
• 4.4.3 相对距离信息滤波方法
• 4.4.4 目标机动信息估计仿真算例
• 4.5 末制导仿真算例
• 4.6 小结
• 第五章 基于拦截器主动机动的相对距离测量方法
• 5.1 拦截器主动机动策略
• 5.1.1 策略一：线性匀速机动
• 5.1.2 策略二：线性匀加速机动
• 5.1.3 策略三：几何构型匀速机动
• 5.1.4 策略四：几何构型匀加速机动
• 5.2 基于非线性滤波的测量方法
• 5.2.1 DD1 滤波器
• 5.2.2 仿真算例
• 5.3 基于微分改进的测量方法
• 5.3.1 微分改进方法
• 5.3.2 相对运动初始状态误差分析
• 5.3.3 特征值分解求解最小二乘问题
• 5.3.4 交替微分改进算法
• 5.3.5 仿真算例
• 5.4 不同机动路线的可观测度分析
• 5.4.1 分段线性定常系统的分析方法
• 5.4.2 相对状态估计的可观测度分析
• 5.4.3 仿真算例
• 5.5 小结
• 第六章 大姿态角机动控制策略
• 6.1 经典姿态角控制方法
• 6.2 基于四元数的姿态控制方法
• 6.3 四元数最佳控制轴法
• 6.4 仿真算例
• 6.5 小结
• 第七章 六自由度仿真系统
• 7.1 六自由度仿真模型
• 7.1.1 测量模型
• 7.1.2 制导控制模型
• 7.2 脱靶量计算
• 7.3 仿真算例
• 7.4 小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 论文工作总结
• 8.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 仿真计算中采用的地球模型
• 附录B DD1 非线性滤波方法介绍