1、国防科学技术大学研究生院学位论文04032004学号密级 公开学硕士学位论文机动弹头的智能 规避策略研究硕士生姓名分类号 UDC372T赵秀娜学 科 专 业 控制科学与工程研 究 方 向 模式i 只别与智能系统4：匕已-rr教 师 马宏绪教授国防科学技术大学研究生院学位论文国防科学技术大学研究生院. 六年十一月国防科学技术大学研究生院学位论文ABSTRACTRecently, the development of National Missile Defense (NMD) system of America makes a great challenge to our stratec nuk
2、es overawing degree, especially the extra-atmosphere Mid-course Defense system. As one of the effective way of dealing with Extra-atmosplteric Kill Vehicle (EKV) wWch destroys opponents by hit-to-kill, extra-atmosphere evasive maneuvering technique has becoming nations main strategic preliminary res
3、earch. After introducing the background and recent study status of the topic from the two aspects of missile defense and penetration technology, as the key problem of the technique. Intelligent Evasive Strategy is studied in the paper, inciuding main contents as follows:Firstly, the performance para
4、meters of attacking missile and EKV are analyzed And the noise producing algorithm is studied to imitate the function of inspectors- Then, the start conditions of simulation are listed and a six-degree of freedom dynamics and kinematics naodel of die attacking side is established.Secondly, the Intel
5、ligent Evasive Strategy is researched, including maneuver mode, maneuver moment and maneuver orientation. An attitude search algorithm is proposed to decide maneuver orientation, which is based oa maximirfng the overloading needed by EKV (beyond its available overloading). Besides being able to evas
6、ive interception, the strategy is required to satisfy those as follows:(1) Excqt performance of the missile itself, maneuver mode has nothing to do with any oflier factors.(2) Maneuver moment and maneuver orientation depend on flight information of EKV-(3) The strategy should have a good performance
7、 of robustness.As for correcting ballistic trajectory after maneuvering, fixed-time regression method isimpulse separately on the two points to make it change its orbit and return to the origin orbit before going back to the atmosphere. So to make sure the warhead hit the scheduled object accurately
8、.Finally, an attack-defense combat simulation system is developed to check the feasibility and correctness of the strategy proposed m this paper The simulation results show that the Intelligent Evasive Strategy is quite self-adaptive and has a good characteristic of robustness to ensure the missile
9、to evasive interception successfully.Key Words： Warhead, Penetration, Maneuver， Intelligent Evasive Strategy, EKV, Overloadingt Miss Distance国防科学技术大学研究生院学位论文图目录NMD陆基系统示意图.EKV *I俄罗斯的白扬” 一M 导弹. 印度的“烈火”一2导弹地心坐标系与发射坐标系欧拉角关系图 ：坐标系与弹体坐标系欧拉角关系图， 发射坐标系与速度坐标系欧拉角关系图- 速度坐标系与弹体坐标系欧拉角关系图. 弹道坐标系与坐标系欧拉角关系图.发动作曲线 -
10、交汇角的定义 _交汇角对E KV脱乾量的影响. 进攻弹、栏截弹控制系统框架 方波机动示意图 -机动持续1 .0s时机动时刻与脱乾量的M 曲线 -30机动持续U s时机动时刻与肤f fi量的关系曲线 -.-31机动持续1 .2s时机动时刻与脱乾量的关系曲线 -31机动持续1 .3s时机动时刻与脱量的关系曲线 -32机动持续1 .4s时机动时刻与脱f fi量的关系曲线 _. -32机动持续 US时机动时刻与脱紀量的关系曲线 _：. -33姿态调整过程的时间分布示意图 - -34轨道拦截问题示意图 _ _39弹道回归示意图 _三机联合仿真结构图. 攻方程序界面 -攻方程序流程图, 动画演示效果图.1
11、0 .10 .11 .11 .14 .14 .25 .28图U 图U 图U 图1.4 图2.1 图 11 图 2.3 图2.4 图 2J 图2.6 图2.7 图2.8 图3.1 图32 图33 图3.4 图3.5 图3,6 图3,7 图3.8 图3.9 S 4.1 图2 图5.1 图52 图5 J.240454647 51国防科学技术大学研究生院学位论文表目录表2.1机动弹头的性能参数总结.， 表2.2仿真中进攻弹的初始参数.，表2 .3 EKV的性能参数总结表2 .4噪声对脱I B量的影响情况 .表3 .1进攻弹机动方向对脱祀量的影响. 表4 .1弹道修正的仿寘结果 表5 .1仿真机通讯接口
12、定义 表5.2仿真机通讯接口定义.， 12 .12 .13 .17.37 .43 .49 .49国防科学技术大学研究生院学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果.尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果,也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意.学位论文題目t 机动弹头的智能規进策略研究 学位论文作者签名：知曰期- 年“月日学位论文版权使用授权书本人完全了解国防科学技术大学有关保留
13、、使用学位论文的规定，本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关国防科学技术大学研究生院学位论文数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文.(保密学位论文在解密后适用本授杈)学位论文题目：_机动弹头的智能规避策略研资，学位论文作者签名：曰期- 年/,月；日作者指导老师签名： M 日期：Y 年/月沙曰第一章绪论在当前战争模式下，空中打击已经成为局部战争中使用的主要方式，具有决定全局的 战略意义，而以防区外精确打击为主要手段的非接触远程作战是空中打击的重要作战样 式，
14、其支柱力量就是战术弹道导弹和巡航导弹.弹道导弹具有重大的战略、战术威慑作用， 已经成为影响世界政治格局、左右战场态势、甚至决定战争胜负的重要因素，可以说，弹 道导弹已经成为国防实力的标志和国家地位的重要象征.因此世界各国都在竞相发展或获 得弹道导弹及其相关技术目前，世界上至少有8 个发达国家和1 5个发展中国家能够制 国防科学技术大学研究生院学位论文造弹道导弹，有4 0多个国家拥有弹道导弹，现役弹道导弹数量已达1 万多枚舰几十 年来发生的几次较大规模的局部战争来看，战术弹道导弹已广泛应用于实战，是未来局部 战争和地区冲突的主要威胁周边国家和地区也正在装备和研制射程为1 002500kin的各.
15、 型弹道导弹，国家安全正受到前所未有的严重威胁.面对这种情况，导弹防御技术应运而 生，而相应的，突破防御系统的导弹突防技术又成为另一个战略预研的焦点 1.1.1导弹防御技术的发展美国是世界上第一个提出 “导弹 防御 ”概念并将其付诸实施的国家早在上个世纪5 0 年代中期，前苏联洲际导弹试射成功后，获得绝对安全”就成为美国的一项既定国策 1993年后，美国制定了“弹道导弹防御计划” (BMD).该计划规定：对于射程超过3 000公 里，能够打到美国本土的远程导弹和洲际导弹，都列入“国家导弹防御系统” (NMD)按照 设想和规划，美国的国家导弹防御系统由栏截导弹、雷达、空基传感器、改进型预警雷达
16、以及作战、管理、指挥和通信系统等组成*该系统将形成一个襄括太空、陆地和海洋的“天 网、对有可能袭击美国的战略弹道导弹实施全过程、多层次的栏截，从而保ffi美国的“绝 对安全”.图1.1即为美国国家导弹防御系统的示意图，这个系统由五大部分组成：(1) 、作战管理/指挥、控制、通信系统（BM/C3)，含飞行中栏截弹通信系统（IFICS)*(2) 、 预警卫星：国防支援计划( DSP)卫星，天基红外系统（S BIRs)的地球同步轨 道卫星和高補圃轨道卫星.(3) 、 预警雷达：五部改进的预爱雷达( PavePaw, BMEWS)以及多部其它地面雷达.(4) 、 一部海基雷达（X BR)和若干部前向部
17、属雷达(5) 、 拦截弹( GBI及其动能杀伤栏截器（E KV)。 栏截弹部署的基地是美国阿拉斯加 以及可能的北达科他的大福克斯空军基地，甚至还有英国国防科学技术大学研究生院学位论文图1 .1 NMD陆基系统示意图根据对资料的分析，整个系统的工作过程是：(a),主动段的探測与跟踪：由夭基红外系统（S BIRs的髙轨道（S BIRshigh)卫星从 导弹发射牙始即对主动段（助推段）发动机尾焰进行探测、跟踪，并将获取的信息传送给 指挥中心计算机系统（B M/C)，完成防御预警和弹道初步估计，同时，天基红外系统的低 轨道（S BIRs丨0 W)卫星持续对弹头组合件进行跟踪，实时将数据传送给指挥中心计
18、算机系 统，完成对来袭目标的弹道估计预报.(b、 自由飞行段探测跟踪与识别：B M/C系统引导地面预警雷达( BMEWS)对来袭 目标的搜索、跟踪，引导地面火控雷达( XBR)对弹头组合件进行搜索、跟踪和识别3) 拦截：根据地基雷达（X BR对来袭目标群的识别和跟踪数据进行火控解算，发 射栏截弹.为保证一定的栏截概率，一般采用齐射方式( salvcHlaunch).这里的齐射方式 可以是从相同或不同基地同时或者间隔很短地发射多发烂截弹.此后，拦截弹在初制导段 向预拥栏截点转弯飞行；在中制导段，根据地基雷达更新的预测栏截点数据，弓丨导栏截弹 修正初制导段的制导误差，向更新的预测拦截点飞行，在此过
19、程中，动能杀伤栏截器E KV 国防科学技术大学研究生院学位论文被释放并进行星光定位以校准自身的姿态；然后，当栏截器飞行到距弹头一定距离时打开 导引头，对来袭目标进行搜索、识别和跟踪，当满足中末制导交苹条件时，转入末制导； 此后，根据末制导律进行机动以修正其空间位置实现直接碰撞栏截，3) 、 杀伤评估：栏截过程结束后，由地基火控雷达（X BIO对栏截结果进行观测和评 诂.若发现弹头并未被摧毁，则准备进行第二次栏截，这就是所谓的“射击一观察一射击”(shoot-look-shoot)栏截模式，整个系统的核心技术体现在E KV上，它是一种灵巧的、非核的、靠直接碰撞杀伤的 栏截器地基栏截弹从发射井发射
20、后.助推器将E KV推进到实现烂截的阵位.在来袭导 弹高速飞行的弹道中段栏截器E KV将同助推器分离，利用自身的推进系统，高速冲向国防科学技术大学研究生院学位论文EKV的结构 如图1 .2所示，弹体装有 红外导引头、数据处理 制导系统、 控装置值 得一提的是，其底端携 带着装有液态氣的器皿 ，液态氣气化时会使得 弹体的温 度降低，这 样可以有效地减弱自身 的红外信号，降低被来 袭弹头探测和识别的概率.另外 俄罗斯、欧洲各国以及周边国家与地区也都开展了相应的导弹防御系统的研究 虽然规模及防御性能均不及美国，但也说明这个问题已引起世界各国的普遍关注. 1丄2导弹突防技术的发展矛和盾历来都是在对立中
21、发展起来的，二者相辅相成，缺了谁都难以发展和完善战 略弹道导弹的发展也是如此，一型新导弹刚刚服役，一套新的反导防御措施便接踵而至. 如倚突破对方布设的天罗地网，使导弹快速准确地命中目标？这就是本文要讨论的导弹突 防问题目前，战略导弹突防技术可分为战略层次和战术层次.战略层次的突防技术相对较难， 只有实力强大的国家才可以考虑主要包括：3) 以核攻核.战略导弹采用核弹头，利用核爆炸杀伤敌人，实际上并没有考虑如何 突破栏截弹的栏截，3) 近距离攻 击 ,使用机动运输设备将战略导弹事先部署在导弹防御区附近，利用运 输设备机动性强和隐蔽性好的特点，进行近距离机动，对导弹防御系统实施突然袭击，这 种方式对
22、运输设备的要求较高3) 攻击天基信息链破坏敌方的预警卫星，使整套N MD系统失去作用这种方式 技术难度相当大，不易实现，敌方导弹，以巨大的动能撞击来袭弹头，将其摧毁*国防科学技术大学研究生院学位论文.(4)天基攻击，从太空投放核弹或精确制导炸弹，利用弹体具有的极高飞行速度杀伤Senior Optics Nrt ShomiAttitude ConlrolSystems Divert ThniJterMi)Nitrogen Bottles (2:E0 Sensor1. “ISunshade. Ctwer图1 .2 EKV结构筒 图国防科学技术大学研究生院学位论文敌人同样，其难度也相当大. 战术层次
23、的突防技术包括：3) 饱和式、多波次攻击*在很短的时间内向敌方目标发射多发导弹.使对方导弹防 御系统处于超饱和状态，这种方法技术难度低，但是，需要牺牲大量的导弹来换取一定的 作战效果，3) 电磁脉冲干扰先从空中、海上（潜艇）和陆地发射加装电磁脉冲弹头的导弹，使远程预警雷达、陆基雷达和作战管理与指挥.中心失效，再进行后续波次的导弹：击，这 种方法简单、可靠，但是,需要研制可靠的电磁脉冲弹，相应的研究过程复杂3) 机动发射，这种方法只有在交战两国相距较近时才能起到很好的效果，并不是真 正意x 的突防在导弹飞行中段，由于没有气动作用的影响以及导引头技术的长足发展，弹头 可以更准确、及时地探测到来袭的
24、烂截弹*这就为智能规避策略的实现提供了条件.从发 展前景来讲，规避策略与其它突防技术相结合（如导弹采用吸收雷达波和降低红外特征的 材料，实瑰雷达隐身与红外隐身一体化,将单弹头导弹改进成带分导式多弹头的弹道导弹 等等)，突防能力将会有更大提高1.4论文的主要内容论文以导弹规避向题为主线涵盖了导弹弹道的计算、模型的建立、智能规避策略的 构建、杭动弹道的修正、多机联合仿真等五个大问题 发动机沿着弹体;C 轴线安装，位于弹体尾部，坐标为：其中米； 发动机具有最短工作时间A r = 100毫秒，所需求的发动机工作时间必须大于或等于A T,发 动机才可以点火否则发动机不能满足工作需要：发动机开机后并非马上
25、达到最大推力而. 是有一个上升沿，持续时间为最短工作时间Ar的10%，同理，关机时也有“下降沿，如 图2.6所示.PW0.17国防科学技术大学研究生院学位论文r+aizr发动机工作曲线国防科学技术大学研究生院学位论文(3)弹体控制系统为理想系统，不存在滞后和超调等，姿态调节在3秒内可以完成，并 且经过这3秒后，弹体可以调整到任何需要的姿态：调姿过程中导弹仍可认为是自由飞行*弹头的主要性能参数详见下表：表2.1机动进头的性能参数总结取导弹发射后990秒作为仿真始点，此时弹头已处在自由飞行段，EKV进入末制导， _具体参数M Z2，表2.2仿真中进攻弹的初始参数性能参数 取值 备注弹头初始质量 5
26、60kg 携带燃料1 00kg发动机可用推力 40000N 轴向真空比冲 2900m/s发动机响应时间捕获矩离 lOOfcm导引头械频 乏2 00Hz f总量 7.25可用机动 时间每次 1.0-1.5 可调参数名称 取值 备注发射点经度（东经）n 33, 发射点讳度（此讳 n m射击方位角(。） 8.7666弹头位置分量咖） 5243090.543639弹头位置分量 -19976.906215弹头位置分量z (0 150522379228弹头速度分量厂 4655.504644 弹头速度分量 -2542.322829t仿 真 始 点 的1 弹头速度分量厂,_) 397.856565这胜参数 均
27、为弹头mm系下的量国防科学技术大学研究生院学位论文 2.3.2 EKV的相关参数1).相关物理性能参数1) 弹体为圆柱体，截面半径/ ? = 0.3米，长度为/ = 1米，密度均勾，飞行过程中弹体几 何参数保持不变，其转动惯量的计算方法与进攻弹相同.2) 发动机在弹体的法向、侧向均可施加推力，且均有过载限制-根据搜集的资料中有关美国G BI/EKV的信息，特别是R aytheon公司给出的EKV性能 参数，分析并整理得到E KV的性能参数如下玄表2 .3 EKV的性能参数 总结(2-7)性能参数 取值 备注.质量 59.65kg 湿重尺寸 0.61xL397m轨控推力 2338.3N 过载限制
28、4 g真空比冲 2900m/s轨控发动机响应时间推进剂 MMH/N2O4红外像面阵列 256x256 低温冷却至4 0K视场角 2x2捕获距离 约2 00km导 引头械频（H z) 25, 50， 100 周期 40, 20. 10(ms)总量 20-25可用机动 时间( S) Endgame 段 5-7接近速度 710km/s末端机动距离 - 1000m末制导律 比例导引 改进视线角速率估计算法 状态非线性二阶E KF拦截方位（视线角、方位角）由搜索算法得到 基于初始需用过载 在限制范围内脱祀量标准（米） 10国防科学技术大学研究生院学位论文图2.7交汇角的定义i，E KV的速度矢量为f ；
29、,弹头速度矢量为因此， 于迎头栏截，没=180。对应于尾追栏截.为考察交?C 角取不同值时对脱範量的影响，作如下仿真：导引头顿频l OOHz,进攻弹 惯性飞行，995秒开始栏截*60 40 20： 1 mI. J - ！-.20 . /- ：“ If :i.广 I ： .- 心2.8交汇角对E KV税雜量的影响图中，红色虚线表示E KV过载限制为4 g时的脱祀量曲线藍色实线表示E KV没有 过载限制时的情况(1)过载限制对EKV的栏截效果影响很大没有过载 限制时，无论交汇角多大，EKV 都能成功栏截进攻弹；而实际中E KV是有一定过载限制的，根据调研本文将其:0。对应2).交汇角的大小首先，定
30、义交汇角，如下图所示:so国防科学技术大学研究生院学位论文取为4 g, 此时，只有在一定的交汇角范围内EKV才可以成功 栏截进攻弹，而且，过载限制越大，国防科学技术大学研究生院学位论文可以成功栏截目标的交汇角范围也越大(2)交汇角的大小对EKV的脱祀量影响很大当EKV过载限制为4g时，只有在相对 较小的交汇角范围（d广：汝= _f“ 二. iDX： f“ J- EDX = 2 X 0.9987-1 = 0.9974“观 Act, 工知式（2 .9)的含义是：标准差取为上述值时，导引头得到的E KV位置值落在 5-/Jx20%, + RX20%,速度值落在厂一P x40%， f+rx40%区域内
31、的概率为0 .9974 2).当标准差取为0 “,=及2， N;2时,栏截弹的导引规律性质不会发生变化，只是相当于改变了导航比，导引 规律仍旧是收敛的. 所以 建立在这个基础上的预估算法也不会发散.由于在仿真中取i S=5，A 2-5,此时， N;， Ni满 足条件 N:2， Np2,所以，噪声 在本质上不会影响脱祀量但是由于计算误差的存在，进攻弹在决策时可能会产生一定的 偏差.下面通过仿真进一步加以说明 2).仿真分析采用第三章提出的规避策略和前面给出的仿真条件，在进攻弹导引头的探测信息无噪 声、有噪声以及不同标准差的情况下，仿真结果如下-表2.4噪声对脱把爱的影晌情况噪声情况 偏航、俯仰角
32、的 变化量(度）机动时刻 脱祀量(0, 54) 1013.519 19.524450(0,54) 1013.519 19.521788无噪声 (0,54) 1013.519 19. 531797(0.54) 1013.519 19.527612(0,54) 1013.519 19.462117(0,51) 1013.292 19.265539_ 20% (0,51) 1013.243 18.954483 40% (0.51) 1013.241 19 034839。 丁 (0,54) 1013.272 19.395716有睡(0.51) 1013.159 18.500719声 (0.54) 1012.666 9.2043047 =i?x20% (0, 54). 1012.644 8.464182RT=VX4G%(0.51) 1012.692 10.079760W (0,51) 1012.610 7.26722(0,54). 1012.915 15.138975
