拦截高超声速滑翔飞行器:制导进展与展望

聚焦于临近空间拦截制导关键技术,围绕中制导、中末制导交班及末制导等关键问题对临近空间拦截制导技术前景进行展望。首先对临近空间高超声速滑翔飞行器飞行特性进行仿真与分析,并给出防御系统在滑翔段拦截的优势所在;其次,围绕临近空间拦截系统面对高超声速滑翔飞行器时存在的瓶颈进行探讨,并对中制导离线弹道生成与在线弹道生成、中末制导交班及末制导等关键技术相关研究进展进行梳理与总结;最后,结合当前研究进展、面临的挑战及未来临近空间拦截需求,研究分析临近空间拦截制导技术的发展趋势,为后续防御系统的发展提供参考。

一种新的空间飞行器机动规避策略

针对空间飞行器和具有潜在威胁运动体碰撞交会的场景,提出了一种基于遗传算法优化,并结合BP神经网络预测的空间飞行器机动规避策略。该算法区别于传统碰撞交会末段的机动策略,在完成预警探测之后即进行机动策略选择,扩大了时间和空间范围。其以双方位置和速度为输入参数,机动时刻、机动方向和机动时长为输出参数,脱靶量和燃料消耗为性能指标。数值仿真结果表明,相比于瞬时机动策略,该策略有效地降低了燃料消耗,增大了脱靶量,提高了机动规避成功的可能性,为空间飞行器遭受威胁时的安全防护技术提供了新思路。

临近空间高机动目标二次滤波轨迹跟踪及预测

为解决单一观测器对临近空间飞行器长距离跟踪精度低的问题,采用了多观测器协同跟踪方法;为实现对临近空间高机动目标运动状态信息的准确拟合,提出交互多模型二次滤波方法;基于目标的跟踪信息,结合差分整合滑动平均自回归(Autoregressive Integrated Moving Average,ARIMA)模型实现对目标轨迹的预测。仿真结果表明二次滤波轨迹跟踪及预测方法与传统跟踪预测方法相比,有效提升了对目标运动信息等跟踪预测精度,角速度跟踪误差从30%降低到5%以内,速度跟踪误差从20%降低到2%以内,并在无需大量先验信息的前提下实现对目标未来100s内的轨迹进行有效预测,误差不大于0.5km。

临近空间高超声速跳跃式滑翔目标跟踪模型

针对临近空间高超声速跳跃式滑翔目标跟踪问题,在分析目标运动特性的基础上提出了一种二阶时间相关的新型机动跟踪模型,该模型的核心是将加速度作为具有衰减振荡自相关的零均值随机过程,并据此构建了跟踪临近空间高超声速跳跃式滑翔目标的状态方程;为进一步分析模型的运动适应性,结合卡尔曼滤波算法推导了模型的系统动态误差稳态值,从模型参数取值的角度探讨了模型的适应性问题;为提高模型参数设计的合理性,分析了模型中两个参数的对应关系,并给出了参数设计的大致参考区间.理论分析表明,模型具备周期性与衰减性的统一,在短时间内主要表现为周期性,在长时间内主要表现为指数衰减性,这一特性提高了对临近空间高超声速跳跃式滑翔运动描述的合理性,此外,该模型跟踪临近空间高超声速跳跃式滑翔目标时的参数理论取值具有较低的系统动态误差稳态值.仿真实验表明与已有的临近空间高超声速目标单噪声机动模型相比,该模型具有较高的跟踪精度;并通过比较不同参数下的仿真结果一定程度说明了参数取值方法的合理性.

气动砰击异面辅助变轨轨迹优化问题研究

对LEO-LEO轨道转移任务对航天器气动砰击异面辅助变轨的轨迹优化进行了研究。在优化求解过程中将大气层内的无动力下降段轨迹与之后三段轨迹分开考虑而转为二层优化问题。分析了气动砰击异面辅助变轨的燃料消耗,讨论了不同发动机最大推力对大气层内的飞行轨迹、飞行速度、驻点热流等的影响。仿真结果表明:气动砰击异面辅助变轨在降低燃料消耗、解决飞行器热防护问题,以及提高航天器轨道机动能力上有较大的优势。

耦合混合变量的空间机动飞行器多学科设计优化

针对复杂耦合下的空间机动飞行器（SMV）多学科设计优化（MDO）问题,开展了同时考虑连续-离散混合变量的MDO求解技术研究。考虑空间机动飞行器总体方案设计需求,建立了包括轨道分系统、电源分系统、结构分系统、推进分系统、GNC分系统等多个学科的空间机动飞行器MDO模型;提出了基于变量转化法的混合变量MDO求解策略,将连续-离散混合变量MDO问题转化为普通MDO问题进行优化求解。优化后的空间机动飞行器总质量相比于初始方案降低了18.1%,证明了本文方法的有效性。与将离散变量作为连续变量优化的直接方式对比分析表明,本文提出的基于变量转化法的混合变量MDO求解策略在求解效率和可靠性方面更优。

拦截跳跃式机动目标的制导律设计

针对攻击型临近空间飞行器的跳跃机动突防对常规拦截导弹提出的挑战,本文首先建立了视线坐标系下的三维弹-目相对运动方程,引入目标跳跃幅度变化率估计目标跳跃机动的能力,基于滑模变结构控制理论,设计了随弹-目距离和目标跳跃幅度变化率自适应调节的滑模趋近律,推导了视线坐标系下导弹的三维制导律。其次,采用轨控直接力控制技术,设计了直接力/气动力复合控制的分配方案。仿真结果表明:采用该制导律与控制策略的拦截弹能够精确拦截高速、大机动目标,同时拦截弹弹道平缓,需用过载和能量消耗均较小。

快响火箭机动发射点位/发射窗口一体规划

针对空间快速响应任务常用的近地圆轨道,根据确定的轨道参数和目标点位置信息,结合固定的发射段飞行地心角和飞行时间,基于轨道动力学模型和路段几何模型,通过球面几何知识,得到了固体火箭公路机动发射点位和发射窗口的解析规划方法。针对国内目标区域的具体算例,给出了规划结果。同时采用STK进行了仿真,验证了方法的可行性和实用性。研究结果可为固体火箭陆基机动发射点位快速规划提供理论支撑。

基于逆系统的空间飞行器末端控制方法研究

本文主要研究了空间飞行器的末端控制问题。在建立弹目相对运动模型的基础上,设计了基于动态逆系统方法的末端控制规律。通过求解弹目相对运动方程的逆系统,设计弹目视线角速度调节器,使得弹目视线角速度趋于零,保证飞行器的交汇精度。由于该制导律采用了反映目标机动的信息,可以使得飞行器的交汇精度更高,从而实现对大机动目标的高精度制导控制。同时,为了避免轨控发动机开关过于频繁的问题,本文进一步采用了视线转率双包络线的方法对逆系统末端控制规律进行改进。通过对系统进行计算机仿真,证明了此方法的正确性及有效性。

临近空间高超声速滑跃式机动目标的跟踪模型

滑跃式机动是临近空间高超声速飞行器的一种重要运动方式,现有文献中鲜有对高超声速滑跃式机动目标跟踪技术的报道。为此,提出了一种针对临近空间高超声速滑跃式机动目标的跟踪模型,其核心是将目标加速度建模为具有正弦波自相关的零均值随机过程,并据此构建了跟踪临近空间高超声速滑跃式机动目标的状态方程。通过仿真实验与Singer模型、Jerk模型和CV+CA+Singer交互式多模型IMM进行比较,证明了所提模型在跟踪临近空间高超声速滑跃式机动目标时的合理性与优势性。