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高技术战争条件下,攻防对抗双方呈现出高机动、智能化与群集化的发展趋势,在未来高动态对抗环境下,对抗双方面对的将是机动性更强、智能化水平更高、群集规模更大的对手。对于攻击方而言,需要提升对目标的拦截能力,一方面可以通过改进导航、制导控制系统提高命中精度,提升单发拦截概率;另一方面可以采取多对一方式,通过协同拦截提高对目标的毁伤概率。反之,对于防御方而言,一方面可以通过提高预警能力,释放诱饵与干扰或实施最优躲避机动,增加攻击方的脱靶概率;另一方面可以采取主动防御方式,发射防御导弹,对攻击方实施主动拦截,同时进行机动,通过主动协同达到反拦截的目的。本文以攻防对抗中的末制导方法为研究主线,基于微分对策理论,主要围绕主动防御制导律、协同制导律及制导/估计集成设计方法等内容开展了研究分析工作。本文主要的研究内容和取得的成果如下:
针对典型的追逃问题,研究了在拦截导弹采用线性最优制导律的条件下目标飞行器的最优躲避机动策略。以大气层内追逃问题为背景,在已知拦截导弹制导律的基础之上,推导了最优躲避机动策略,并对典型的线性制导律进行分析,对完全信息与非完全信息条件下的追逃场景进行了仿真分析,对目标飞行器最优躲避机动策略进行了验证。
为提高对目标的拦截效能,研究了终端碰撞角度约束的微分对策制导律。考虑了弹体动力学特性,通过引入终端碰撞角度约束,分别设计了线性二次最优制导律及线性二次微分对策制导律,可实现从不同方向与不同角度对目标实施围捕拦截的能力。考虑多枚拦截导弹协同拦截的场景,提出了一种考虑动力学特性的协同微分对策制导律,提高了制导系统对目标机动过载变化的适应能力。
为有效提高目标飞行器面对高性能攻击导弹的生存能力,研究了目标-攻击导弹-防为导弹三方对抗问题,基于微分对策理论设计了主动防御制导律,实现了目标与防卫导弹的协同机动,对攻击导弹实施反拦截,降低了防卫导弹的机动过载需求。提出了带终端碰撞角度约束的主动防御制导律,可实现防卫导弹多角度对攻角导弹实施拦截,增强防卫导弹的打击能力,从而提高目标飞行器的生存能力。
采用红外等被动探测设备的拦截导弹存在目标状态估计的问题,纯角度测量条件下,相对距离的可观测性是值得研究的问题。在末制导阶段,由于弹目之间已经形成碰撞三角,同时传统制导律通常抑制视线角的转动,因此相对距离可观性较差。针对大气层外机动目标的拦截问题,设计了集成估计制导方法,通过非线性滤波器对目标状态进行估计,同时利用微分对策制导律中的奇异区域特点,提出了可观性增强微分对策制导律,提高了被动探测条件下目标状态的可观性。
在主动防御中,采用多个防卫导弹对进攻导弹进行拦截,一方面提高对攻击导弹的拦截概率,另一方面通过引入不同的终端碰撞角度对协同作战的防卫者飞行轨迹进行控制,通过增大相对视线角度,提高对攻击导弹状态的可观性。基于微分对策理论设计了带相对碰撞角度约束的协同制导律,并利用非线性滤波设计了协同状态估计器,充分利用协同主动防御与协同探测的优势,可有效提高目标飞行器的生存能力。
本文的研究考虑多种场景下的制导律设计,涉及主动防御制导律、协同制导律、制导/估计综合设计等问题,对攻防对抗中的多个末段制导方法进行了研究,提出了多种针对不同场景的制导方法,具有一定的理论意义和工程实用价值。
针对典型的追逃问题,研究了在拦截导弹采用线性最优制导律的条件下目标飞行器的最优躲避机动策略。以大气层内追逃问题为背景,在已知拦截导弹制导律的基础之上,推导了最优躲避机动策略,并对典型的线性制导律进行分析,对完全信息与非完全信息条件下的追逃场景进行了仿真分析,对目标飞行器最优躲避机动策略进行了验证。
为提高对目标的拦截效能,研究了终端碰撞角度约束的微分对策制导律。考虑了弹体动力学特性,通过引入终端碰撞角度约束,分别设计了线性二次最优制导律及线性二次微分对策制导律,可实现从不同方向与不同角度对目标实施围捕拦截的能力。考虑多枚拦截导弹协同拦截的场景,提出了一种考虑动力学特性的协同微分对策制导律,提高了制导系统对目标机动过载变化的适应能力。
为有效提高目标飞行器面对高性能攻击导弹的生存能力,研究了目标-攻击导弹-防为导弹三方对抗问题,基于微分对策理论设计了主动防御制导律,实现了目标与防卫导弹的协同机动,对攻击导弹实施反拦截,降低了防卫导弹的机动过载需求。提出了带终端碰撞角度约束的主动防御制导律,可实现防卫导弹多角度对攻角导弹实施拦截,增强防卫导弹的打击能力,从而提高目标飞行器的生存能力。
采用红外等被动探测设备的拦截导弹存在目标状态估计的问题,纯角度测量条件下,相对距离的可观测性是值得研究的问题。在末制导阶段,由于弹目之间已经形成碰撞三角,同时传统制导律通常抑制视线角的转动,因此相对距离可观性较差。针对大气层外机动目标的拦截问题,设计了集成估计制导方法,通过非线性滤波器对目标状态进行估计,同时利用微分对策制导律中的奇异区域特点,提出了可观性增强微分对策制导律,提高了被动探测条件下目标状态的可观性。
在主动防御中,采用多个防卫导弹对进攻导弹进行拦截,一方面提高对攻击导弹的拦截概率,另一方面通过引入不同的终端碰撞角度对协同作战的防卫者飞行轨迹进行控制,通过增大相对视线角度,提高对攻击导弹状态的可观性。基于微分对策理论设计了带相对碰撞角度约束的协同制导律,并利用非线性滤波设计了协同状态估计器,充分利用协同主动防御与协同探测的优势,可有效提高目标飞行器的生存能力。
本文的研究考虑多种场景下的制导律设计,涉及主动防御制导律、协同制导律、制导/估计综合设计等问题,对攻防对抗中的多个末段制导方法进行了研究,提出了多种针对不同场景的制导方法,具有一定的理论意义和工程实用价值。