临空高超声速飞行器目标特性分析

临空高超声速飞行器经过几十年的发展,已经从概念原理探索阶段进入到成果应用阶段,其军事潜力和作战效能日益凸显。主要以美军高超声速无人飞行器、空天飞机和高超声速巡航导弹为研究对象,从临空高超声速飞行器的运动特性、电磁特性和红外特性3个方面展开论述,同时结合典型目标进行建模仿真分析;着重探讨了目标特性对未来作战性能的影响。临空高超声速飞行器目标特性的分析研究,为新型防空体系的构建提供了参考,为未来探测跟踪拦截此类目标奠定了基础。     

基于修正转弯模型的交互多模型跟踪算法

临近空间高超声速飞行器具有极快的飞行速度和独特的机动模式,传统单模型跟踪方法不能对此类目标进行有效跟踪。提出了基于修正转弯模型的交互多模型跟踪算法,该算法修正了转弯模型,利用当前统计模型思想对目标角速度进行实时估计。首先分析了临近空间高超声速目标的特性,然后根据目标运动方程,对目标角速度进行实时估计,最后通过交互多模型实现对临近空间高超声速目标的跟踪。蒙特卡罗仿真结果表明,IMM跟踪算法能够有效跟踪临近空间高超声速目标,且跟踪的精确度、稳定性等明显优于单模型。     

一种高超声速飞行器在线反馈滤波算法

高超声速飞行器是近年来各国大力发展的新概念飞行器,针对其飞行运动轨迹难以进行高精度跟踪这一问题,结合神经网络强大的自适应和自学习能力,提出了一种高超声速飞行器在线反馈滤波算法。其核心是在当前统计模型的基础上,利用BP神经网络与卡尔曼滤波相结合进行滤波器设计,实现对高超声速飞行器高精度跟踪。最后通过仿真试验进行比较,验证了此在线反馈滤波算法在跟踪高超声速飞行器时的有效性。     

临近空间目标跟踪与预报技术研究

目前临近空间高超声速飞行器发展迅速,临近空间目标跟踪与预报已引起广泛关注。论述了临近空间高超声速飞行器跟踪与预报技术,包括临近空间高超声速机动目标模型、多模型滤波器设计方法、临近空间高超声速机动目标轨迹预报方法等,并提出现有方法存在的主要问题及后续主要研究方向。     

高超声速飞行器俯冲段制导控制方法研究北大核心

针对高超声速飞行器俯冲段制导控制问题,利用四元数代替欧拉角建立了六自由度模型,避免了高超飞行器大姿态角机动时,欧拉角解算出现发散的问题;基于六自由度模型推导出一种新的制导控制模式:外环利用飞行器状态及目标-飞行器三维相对运动信息,解算出所需的飞行器角速度作为虚拟控制量,内环采用滑模控制器跟踪外环产生的角速度指令,得到飞行器舵偏角指令;该方法采用跟踪角速度代替跟踪欧拉角指令的方法,可以使飞行器实际飞行更加平稳;仿真结果也表明,该方法能够使高超声速飞行器准确命中目标,且其飞行过程中各项状态量均平稳可控。     

高超声速飞行器俯冲段制导控制方法研究

针对高超声速飞行器俯冲段制导控制问题,利用四元数代替欧拉角建立了六自由度模型,避免了高超飞行器大姿态角机动时,欧拉角解算出现发散的问题;基于六自由度模型推导出一种新的制导控制模式:外环利用飞行器状态及目标-飞行器三维相对运动信息,解算出所需的飞行器角速度作为虚拟控制量,内环采用滑模控制器跟踪外环产生的角速度指令,得到飞行器舵偏角指令;该方法采用跟踪角速度代替跟踪欧拉角指令的方法,可以使飞行器实际飞行更加平稳;仿真结果也表明,该方法能够使高超声速飞行器准确命中目标,且其飞行过程中各项状态量均平稳可控。     

基于动态逆的高超声速飞行器滑模控制律设计

针对具有严重非线性、多变量强耦合以及参数不确定性等特点的高超声速飞行器模型,提出基于动态逆的高超声速飞行器滑模控制方法,设计俯仰通道多输入多输出(MIMO)系统控制律。基于反馈线性化方法对高超声速飞行器非线性模型进行处理,对系统存在的不确定性和外界干扰,采用滑模变结构控制策略进行补偿。引入非线性干扰观测器,对系统干扰进行观测,降低滑模控制项的增益,继而削弱滑模控制带来的抖振。仿真结果表明,所设计的控制律能够实现对指令信号的良好跟踪,具有较快的响应速度,能够保证系统在不确定存在情况下的稳定性和鲁棒性。     

弹性高超声速飞行器自适应极点配置控制

本文针对乘波体外形的高超声速飞行器存在的结构/推进/气动强耦合特性,利用鲁棒极点配置方法设计了自适应控制器,实现了对高超声速飞行器的速度和高度指令跟踪控制。控制器采用了Proportional-Integral-Filter(PIF)结构,该结构的控制器不仅能够使系统具备良好的稳态特性而且能够对控制信号进行滤波平滑,从而能够有效地抑制高超声速飞行器的弹性振动对控制系统的影响。基于弹性高超声速飞行器模型CSUAL_GHV,分别采用自适应鲁棒极点配置控制方法和自适应非鲁棒极点配置控制方法进行了数值仿真。结果表明,与非鲁棒极点配置控制方法相比,采用自适应鲁棒极点配置控制方法的控制系统不仅使飞行器能够很快地跟踪上速度和高度指令,跟踪误差小于1%,而且高超声速飞行器的弹性振动也得到了有效地抑制。飞行器在整个飞行过程中的飞行攻角均处于±2°范围内,满足超燃冲压发动机的工作要求。     

高超声速飞行器滑翔再入性能评估

对高超声速滑翔再入飞行器性能评估的理论和方法进行了研究,并根据高超声速滑翔再入飞行器的特点,给出了高超声速滑翔再入飞行器性能评估的基本流程;通过对滑翔再入飞行器的系统分析,构建了该类飞行器的性能评估指标体系和评估模型;完成了性能评估软件的开发;对3种不同设计方案的性能进行了评估比较,结果表明该指标体系能够很好地反应此类飞行器的总体性能。     

高超声速滑翔飞行器变轨段自适应跟踪制导方法

针对高超声速滑翔飞行器变轨段大偏差条件下的标准轨迹跟踪问题,提出一种基于权值矩阵自适应修正的变轨段跟踪制导方法。分析了变轨段主要控制方式和标准轨迹特性;将简化的纵向运动方程在标准轨迹附近线性化;采用将误差项引进线性二次型性能指标加权矩阵的方式,设计了改进的权值自适应修正跟踪制导方法。CAV-H飞行器仿真分析表明,该方法能够实现高超声速滑翔飞行器变轨段高精度自适应跟踪制导,对初始及过程偏差具有良好的鲁棒性。     

临近空间高超声速目标天基红外探测技术研究

目前试飞成功的临近空间高超声速飞行器已经成为潜在威胁,对临近空间高超声速目标的预警探测成为了新的研究方向。分析了临近空间高超声速飞行器的目标特性,以美国天基红外系统为参考对象,利用STK(satellite tool kit)软件和灵敏度估算,分析了天基红外系统对临近空间目标探测的适用性,提出了天基红外系统对临近空间高超声速飞行器预警探测需要关注和解决的问题。     

无动力滑翔高超声速飞行器轨迹预测方法

针对无动力滑翔高超声速飞行器轨迹预测问题及其应用需求,提出了基于动力学模型简化的轨迹预测方法。阐述了无动力滑翔高超声速飞行器预警探测面临的难点及轨迹预测在预警探测中的作用,说明了轨迹预测的必要性。分析了无动力滑翔高超声速飞行器的受力情况,通过合理的化简,得到简化的动力学模型,获得了运动轨迹的解析形式。设计了轨迹预测算法流程和轨迹预测精度的评价指标,通过仿真实验验证轨迹预测算法的有效性,并分析了引起轨迹预测误差的主要原因。     

探测高超声速飞行器的飞艇优化部署方法北大核心

为提高临近空间飞艇组网探测系统对高超声速飞行器的探测能力,探讨了一种实用高效的飞艇组网探测系统优化部署方法。对三维空间中飞艇组网探测系统的优化部署问题进行了深入分析,综合考虑地球曲率、浮空飞艇放置高度、探测面海拔高度、飞艇最大探测半径、探测器视场角等因素,提出了飞艇组网探测系统探测高超声速飞行器的三维空间优化部署指标,构建了飞艇组网探测系统的优化部署模型,利用遗传算法得到了最优部署方案,通过satellite tool kit(STK)仿真平台验证了该部署方法的有效性,各项探测性能指标的理论计算值与真实值之间的误差均小于1%。部署方法可给实际阵地环境下飞艇组网探测系统的优化部署提供一定的参考。     

探测高超声速飞行器的飞艇优化部署方法

为提高临近空间飞艇组网探测系统对高超声速飞行器的探测能力,探讨了一种实用高效的飞艇组网探测系统优化部署方法。对三维空间中飞艇组网探测系统的优化部署问题进行了深入分析,综合考虑地球曲率、浮空飞艇放置高度、探测面海拔高度、飞艇最大探测半径、探测器视场角等因素,提出了飞艇组网探测系统探测高超声速飞行器的三维空间优化部署指标,构建了飞艇组网探测系统的优化部署模型,利用遗传算法得到了最优部署方案,通过satellite tool kit(STK)仿真平台验证了该部署方法的有效性,各项探测性能指标的理论计算值与真实值之间的误差均小于1%。部署方法可给实际阵地环境下飞艇组网探测系统的优化部署提供一定的参考。     

高超声速飞行器边界层外缘参数仿真分析

以高超声速飞行器为研究对象,构建快速准确计算高超声速飞行器无黏边界层外缘参数的计算方法。拟合空气比热、比热比随温度变化曲线,建立空气属性温度划分准则。基于不同空气属性建立高超声速飞行器边界层外缘参数工程与数值计算模型,采用钝双锥模型,对比分析工程估算、无黏数值及有黏数值计算方法的计算结果。结果表明,0°攻角状态下,基于无黏流场的数值计算与工程估算和有黏数值计算的压强最大差值分别为1.19%和2.39%;10°攻角状态下,最大差值分别为5%和50%;从而证明所提出的无黏数值计算方法明显优于工程计算方法,为进一步快速准确计算高超声速飞行器气动热环境奠定了重要基础。     

空天飞行器跳跃巡航目标特性仿真分析

基于空天飞行器、高超声速巡航导弹以及高超声速再入滑翔导弹等临近空间高超声速目标的巨大威胁,以及文献中较少针对这些飞行器的目标特性开展研究的实际,在介绍空天飞行器相关概念的基础上,根据跳跃巡航段不同的受力情况以某种典型飞行器为例分阶段建立运动模型,仿真分析了升阻比和初始航迹倾角对巡航轨迹特性的影响效果,为后续对高超声速飞行器运动建模和目标特性的研究提供了一定的参考。     

高超声速飞行器纵向平面滑翔飞行制导控制方法

针对高超声速飞行器纵向平面内准平衡滑翔制导控制问题,提出一种基于动态面控制和滑模控制的制导与姿态控制系统设计方法。建立高超声速飞行器纵向平面质心和绕质心运动模型,以航程预测-校正控制为出发点得到期望速度倾角并结合飞行器纵向模型中速度倾角、攻角和俯仰角速率间的关系,利用动态面控制方法、终端滑模控制和二阶滑模控制方法完成高超声速飞行器纵向平面内制导与姿控系统设计。基于偏导系数矩阵形式的通用高超声速飞行器气动模型,完成期望攻角和左右升降舵偏角指令的解析计算。通过高超声速飞行器对该制导控制系统设计方法的有效性和鲁棒性进行仿真验证。根据数值仿真结果,系统阐述了高超声速飞行器进入准平衡滑翔飞行前后制导控制系统工作的特点,进而总结了从初始下降段到准平衡滑翔段交班飞行阶段制导控制系统设计需要注意的问题。     

临近空间高超声速目标跟踪方法研究?

临近空间高超声速目标跟踪技术研究在空天防御系统中具有重要军事意义和理论价值。本文综述了临近空间高超声速目标跟踪中的目标运动建模、目标跟踪算法等研究内容的研究进展，并对其存在的问题进行了深入分析。针对这类目标跟踪存在的问题，结合临近空间高超声速目标探测跟踪需求，指出了临近空间高超声速目标跟踪技术的研究思路，为相关研究提供了参考。     

基于反馈线性化及滑模控制的俯冲机动制导方法

以高超声速飞行器为研究对象,针对俯冲段精确制导及机动突防问题,基于反馈线性化与滑模控制研究了机动突防滑模跟踪制导方法。首先设计纵向俯冲及侧向机动弹道,其次利用反馈线性化将非线性运动方程转化为线性方程,基于该线性方程利用滑模控制对已设计的弹道进行跟踪,最终将线性跟踪制导律转换到非线性系统中获得非线性滑模跟踪制导律,该制导律完全基于飞行器当前运动状态,所需的相对运动信息大大减少。CAV-H飞行器制导实例仿真表明,该方法能够实现俯冲段精确制导及机动飞行,且对初始及过程偏差具有较强的鲁棒性,能够为高超声速飞行器俯冲段制导提供有益参考。     

基于干扰观测器的高超飞行器反演多滑模控制

针对高超声速飞行器匹配/非匹配不确定性控制问题,建立了高超声速飞行器纵向运动三角标准型模型。引入非线性干扰观测器,结合反演控制解决非匹配不确定性控制问题的优势,设计了一种基于反演控制的飞行器多滑模控制器。该方法首先利用非线性干扰观测器的逼近特性对系统受到的干扰进行观测,在每一步反演设计中引入滑模控制设计反演多滑模控制器,从而实现系统对控制指令的输出跟踪。仿真结果表明该方法能够较准确地进行干扰观测,保证了系统的稳定性和鲁棒性,具有良好的控制性能。