地球物理摄动因素对远程弹道导弹命中精度的影响分析及补偿方法研究

论文摘要

论文以提高我国机动发射远程弹道导弹命中精度为背景,针对弹道导弹要求命中精度高、作战准备时间短的特点,深入分析了地球物理摄动因素的影响,开展了考虑地球物理摄动因素下的射击诸元快速计算和制导补偿的研究,得到许多有意义的结果。论文的工作和创新点体现在以下几个方面。首先,论文提出了一套考虑地球物理摄动因素的弹道快速计算方法:对于主动段标准弹道,论文分析了不同射向和纬度下的弹道特性,提出了大气层内固定飞行程序的弹道拟合方法和大气层外弹道解析方法。对于12,000km射程的典型弹道,该方法对主动段关机点的逼近误差,速度小于0.3m/s,位置小于20m;对于自由段标准弹道,论文系统分析了考虑地球扁率的四种自由段解析方法,并针对自由段弹道的特点,推导出基于状态空间摄动的等大地高度约束解析解,提出只在地球外部轨迹上求平均值的平根数方法。如果以地心距或大地高度为终端条件,状态空间摄动法无须迭代,可以将落点计算误差控制在50m以内,相比其它方法,在计算精度和计算速度方面具有优势;对于考虑扰动引力的偏差弹道,论文将广义延拓逼近法和球谐函数换极法应用到扰动引力的赋值中,大大提高了计算速度。相对于有限元法,广义延拓逼近法在相同的存储量下逼近精度可提高1倍以上。通过对球谐函数换极法的改进,使其平均方法误差降低到15m以下。将换极法与状态空间摄动法结合,推导出四阶带谐项作用下自由段弹道射程角的等高偏差解析解。其次,论文系统分析了扰动引力、定位定向误差、高空大气、上升段引力常数变化、电磁力等地球物理摄动因素对远程弹道导弹命中精度的影响:利用状态空间摄动法,给出了各个因素的误差传播方程。计算结果表明扰动引力和定位定向误差是其中影响最大的因素,而简化计算方法具有很高的精度;分析了扰动引力对主动段弹道、被动段弹道、显式制导和惯导系统误差标定的影响;同时考虑几何项、初值项和引力项,推导出定位定向误差影响分析的完整解析解,并针对是否存在独立的天文观测和显式制导给出不同的计算公式。计算表明该解析解计算速度快,计算精度高,其中速度偏差逼近的方法误差小于10%,位置偏差逼近的方法误差小于1%。最后,论文设计了诸元和制导计算中进行补偿的方案,开发了通用的动力学仿真系统:考虑主动段弹道变形,推导出发射方位角初值的精确确定模型,可以将逼近精度由传统方法的5提高到0.5 ;提出了诸元和制导计算中地球物理摄动因素快速补偿的算法。其方法误差小于15m,同时可避免复杂弹道的迭代;提出考虑地球自转的零射程线方法,并应用于弹道导弹的末修级标准飞行程序设计、多头分导方案设计与固体弹道导弹的耗尽关机制导中;基于面向对象思想和统一建模语言,设计了考虑地球物理摄动因素的弹道导弹飞行动力学仿真框架,开发了导弹飞行动力学通用仿真软件。将设计样式引入导弹动力学的面向对象建模,并针对其特点提出了通用积分和层次聚合两种新的设计样式。论文的工作对于缩短导弹发射准备时间、减小制导方法误差、提高导弹作战效能具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、目的和意义
• 1.2 相关技术研究综述
• 1.2.1 考虑地球扁率的自由段弹道快速解算方法
• 1.2.2 地球外部扰动引力赋值方法
• 1.2.3 地球物理摄动因素对弹道导弹运动的影响分析方法
• 1.2.4 弹道导弹射击诸元计算与制导方法
• 1.2.5 飞行动力学系统仿真
• 1.2.6 总结与评述
• 1.3 主要工作和内容安排
• 1.3.1 主要工作
• 1.3.2 内容安排
• 第二章 考虑地球物理摄动因素的弹道导弹运动模型及其简化
• 2.1 引言
• 2.2 考虑地球物理摄动因素下弹道导弹运动模型
• 2.2.1 主动段运动模型
• 2.2.2 自由段运动模型
• 2.2.3 关机点偏导数计算
• 2.3 主动段弹道简化计算的状态空间摄动法
• 2.3.1 状态空间摄动法
• 2.3.2 主动段运动摄动方程
• 2.3.3 主动段运动状态转移矩阵解析解
• 2.4 自由段弹道简化计算的状态空间摄动法
• 2.4.1 极点变换
• 2.4.2 含摄动的运动状态空间方程
• 2.4.3 摄动方程状态转移矩阵的解析解
• 2.4.4 落点偏差的计算
• 2.5 小结
• 第三章 考虑地球扁率的自由段弹道快速计算
• 3.1 引言
• 3.2 基于状态空间摄动的自由段弹道解析解
• 2项摄动的分解'>3.2.1 J₂项摄动的分解
• 2项摄动的等地心距偏差弹道解析解'>3.2.2 考虑 J₂项摄动的等地心距偏差弹道解析解
• 2项摄动的等高偏差弹道解析解'>3.2.3 考虑 J₂项摄动的等高偏差弹道解析解
• 3.2.4 算例分析
• 3.3 自由段弹道解算平根数方法的改进
• 3.3.1 平根数法改进的基本思路
• 3.3.2 摄动势函数的分解
• 3.3.3 平根数计算公式
• 3.4 自由段弹道解析解的其它方法
• 3.4.1 非正交分解法
• 3.4.2 中间轨道法
• 3.5 小结
• 第四章 扰动引力快速计算及对命中精度的影响分析
• 4.1 引言
• 4.2 主动段扰动引力的快速计算方法
• 4.2.1 主动段扰动引力计算的特点
• 4.2.2 主动段扰动引力的有限元逼近
• 4.2.3 主动段扰动引力的广义延拓逼近
• 4.2.4 算例分析
• 4.3 被动段扰动引力的快速计算方法
• 4.3.1 球谐函数换极表示
• 4.3.2 球谐函数换极法的改进
• 4.3.3 广义延拓逼近方法在被动段弹道的应用分析
• 4.3.4 算例分析
• 4.4 扰动引力对弹道导弹命中精度的影响分析
• 4.4.1 主动段扰动引力影响分析的状态空间摄动法
• 4.4.2 被动段扰动引力影响分析的状态空间摄动法
• 4.4.3 被动段扰动引力影响分析解析解的探讨
• 4.5 发射点重力测量误差对弹道导弹命中精度的影响分析
• 4.6 扰动引力对弹道导弹显式制导的影响分析
• 4.7 小结
• 第五章 定位定向误差对弹道导弹命中精度的影响分析
• 5.1 引言
• 5.2 定位定向误差对弹道导弹运动的影响机理及其分析方法
• 5.2.1 考虑定位定向误差的坐标系选择及其转换关系
• 5.2.2 定位定向误差的影响机理
• 5.2.3 定位定向误差分析的基本方法
• 5.3 进行独立天文测量下的定位定向误差影响分析
• 5.3.1 几何项模型
• 5.3.2 初值项模型
• 5.3.3 偏差方程及引力项模型
• 5.3.4 定位定向误差传播模型
• 5.3.5 视加速度耦合影响分析
• 5.3.6 算例分析
• 5.4 不进行独立天文测量下的定位定向误差影响分析
• 5.4.1 几何项模型
• 5.4.2 初值项模型
• 5.4.3 偏差方程及引力项模型
• 5.4.4 算例分析
• 5.5 定位定向误差对显式制导精度的影响分析
• 5.5.1 导航误差的计算
• 5.5.2 基于标准弹道参数的制导精度影响估算
• 5.5.3 算例分析
• 5.6 小结
• 第六章 其它地球物理摄动因素对弹道导弹命中精度的影响分析
• 6.1 引言
• 6.2 高层大气阻力对弹道导弹命中精度的影响分析
• 6.2.1 概述
• 6.2.2 计算模型
• 6.2.3 算例分析
• 6.3 地球引力常数变化对弹道导弹命中精度的影响分析
• 6.3.1 上升段引力常数变化模型
• 6.3.2 上升段引力常数变化对弹道导弹运动的影响分析
• 6.4 电磁力对弹道导弹命中精度的影响分析
• 6.4.1 概述
• 6.4.2 计算模型
• 6.4.3 算例分析
• 6.5 小结
• 第七章 考虑地球物理摄动因素的射击诸元与制导计算
• 7.1 引言
• 7.2 发射方位角初值的精确确定
• 7.2.1 方位角初值确定的传统方法
• 7.2.2 考虑主动段弹道变形的方位角初值确定
• 7.2.3 算例分析
• 7.3 主动段弹道的快速计算方法
• 7.3.1 考虑地球自转时主动段弹道特性分析
• 7.3.2 主动段固定程序飞行段弹道的拟合方法
• 7.3.3 真空飞行段弹道的近似解析解
• 7.3.4 算例分析
• 7.4 机动发射弹道导弹射击诸元快速计算
• 7.4.1 机动发射射击诸元计算方案
• 7.4.2 基本诸元计算
• 7.4.3 修正诸元计算
• 7.4.4 算例分析
• 7.5 考虑地球物理摄动因素时的显式制导方法
• 7.5.1 导航计算中的扰动引力补偿
• 7.5.2 需要速度计算中的地球物理摄动因素补偿
• 7.6 零射程线及其应用
• 7.6.1 零射程线的概念
• 7.6.2 忽略地球自转的零射程线计算
• 7.6.3 考虑地球自转的零射程线计算
• 7.6.4 零射程线的应用
• 7.7 小结
• 第八章 考虑地球物理摄动因素的弹道导弹飞行仿真软件开发
• 8.1 引言
• 8.2 弹道导弹飞行仿真通用软件的UML 分析
• 8.2.1 面向对象建模方法
• 8.2.2 飞行器飞行动力学类库设计
• 8.2.3 导弹飞行动力学静态模型
• 8.2.4 导弹飞行动力学动态模型
• 8.2.5 地球物理摄动因素的面向对象建模
• 8.3 弹道导弹飞行动力学建模中的设计样式
• 8.3.1 现有设计样式在飞行动力学建模中的应用
• 8.3.2 飞行动力学建模中的专门样式
• 8.3.3 设计样式应用的评价
• 8.4 弹道导弹攻击过程的混合系统建模
• 8.4.1 混合系统的自动机模型
• 8.4.2 混合系统的面向对象建模
• 8.4.3 混合系统的面向对象仿真过程
• 8.4.4 弹道导弹攻击过程的混合系统模型
• 8.5 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 自由段弹道摄动分析状态转移矩阵解析解
• A.1 X 等角偏差状态转移矩阵
• A.2 Y 等角偏差状态转移矩阵
• A.3 等地心距偏差状态转移矩阵
• 附录B 考虑四阶带谐项扰动引力下的自由段弹道解析解系数