【摘 要】
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近年来,随着各大强国航空航天技术的飞速发展,临近空间高超声速飞行器以其飞行速度快,机动性能好,突防能力强,具备快速精准打击、远程投送等特点而日益备受关注。这些特性使得对该类目标的探测、拦截面临巨大挑战,各国国防安全受到了严重威胁,因而研究高超声速飞行器的定位与轨迹预测具有重要意义。然而因其在飞行过程中引入外力,气动力分析复杂,飞行弹道脱离惯性弹道,导致其状态难以预测。另外,其飞行速度快,飞行轨迹也
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近年来,随着各大强国航空航天技术的飞速发展,临近空间高超声速飞行器以其飞行速度快,机动性能好,突防能力强,具备快速精准打击、远程投送等特点而日益备受关注。这些特性使得对该类目标的探测、拦截面临巨大挑战,各国国防安全受到了严重威胁,因而研究高超声速飞行器的定位与轨迹预测具有重要意义。然而因其在飞行过程中引入外力,气动力分析复杂,飞行弹道脱离惯性弹道,导致其状态难以预测。另外,其飞行速度快,飞行轨迹也复杂多变,运动模型难以确定导致了预测模型的不确定性。本文将理论分析与仿真实验相结合、以先定位后预测的研究构架,结合仿真模拟的高超声速飞行器数据,对高超声速飞行器的定位与轨迹预测研究如下:1、理解分析了目标飞行器的弹道特性,得到飞行器纵向运动方程组,利用四阶龙格库塔法求解运动方程,将求解得到的经纬度以及高度通过坐标转换成地惯坐标系下的空间直角坐标,为飞行器的定位与轨迹预测提供数据基础。2、针对地面雷达对带有机动的飞行器探测预警难、易受地球曲率影响等问题,研究了基于双星观测系统的目标定位方法。将飞行器三维坐标数据做成星历文件导入STK中,建立了跳跃滑翔高超声速飞行器的弹道模型,搭建了基于双星系统的目标观测场景,得到了地惯系下平台与目标间的观测矢量模型,利用双星观测系统对于目标的新型几何定位算法,推导出了地惯系下的目标定位模型,并使用蒙特卡罗法获得了目标定位误差分布,实现了对高超声速飞行器的定位。仿真结果表明,该算法将目标定位误差控制在10%以内,目标位置的定位精度平均值达到公里量级以下,证明了该算法的有效性。3、针对高超声速飞行器机动能力强、运动特征复杂以及目标先验知识掌握情况不同等问题,本文采用基于动力学模型和运动学模型两种轨迹预测方法。前者通过分析高超声速飞行器在滑翔阶段的受力情况并合理地简化条件,得到简化的动力学模型,求解微分方程获得了运动轨迹的解析形式,实现了较长时间的轨迹预测。后者针对非弹道式高超声速飞行器周期跳跃的运动特点,结合Singer运动模型,利用改进的UKF算法对目标运动状态进行跟踪估计,该算法通过引入调节因子m_k、n_k加强了滤波器的跟踪性能并且减小了状态滤波的初始值误差以及状态方程扰动误差对滤波结果的影响。仿真结果表明,对比于传统算法,改进后的自适应UKF算法具有较好的跟踪精度和稳定性能。利用滤波后的目标状态估计值以及DPA+LA的加速度拟合曲线,进一步递推目标飞行器轨迹。经仿真实验表明,该方法预测误差在1km范围内。
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