一种基于迭代预测命中点的增程型拦截弹预测制导方法技术

本发明专利技术公开一种基于迭代预测命中点的增程型拦截弹预测制导方法：步骤1、建立增程型拦截弹模型，列出增程型拦截弹零攻角飞行的动力学和运动学方程；步骤2、生成标准弹道族；步骤3、求解空间一点所在标准弹道；步骤4、利用二次多项式拟合标准弹道中x‑t的关系，利用多项式拟合法拟合二次多项式系数与标准弹道号的关系，得到飞行时间的数值解法；步骤5、通过迭代求解预测命中点的方法，逐步逼近求解，直到迭代求得的预测命中点所在的标准弹道与上一个预测命中点所在的标准弹道相同，结束迭代。本发明专利技术解决了增程型拦截弹预测制导问题，大量计算在线下进行，减少制导过程中迭代次数，程序计算速度快。

【技术实现步骤摘要】
一种基于迭代预测命中点的增程型拦截弹预测制导方法
本专利技术涉及一种基于迭代预测命中点的增程型拦截弹预测制导方法，属于导弹制导领域，尤其涉及针对增程型拦截弹计算剩余飞行时间，选择标准弹道，解析法计算剩余飞行时间，迭代预测命中点法确定预测命中点，进而控制增程型拦截弹飞往预测命中点的制导方法。
技术介绍
THAAD(TerminalHighAltitudeAreaDefense)系统于2008年装备美国陆军，在当今世界反导武器系统中具有领先水平。THAAD系统由拦截弹、导弹发射车、监视与跟踪雷达、指控系统及地面作战管理系统等组成。拦截弹通过自身携带的动能杀伤器(EKV)直接完成碰撞杀伤，可以在大气层内外以动能杀伤方式拦截弹道导弹。THAAD的有效拦截距离为60～200公里，随着高超声速飞行器的迅猛发展，THAAD因为最大拦截距离的限制已逐渐无法完成拦截任务。为提高THAAD拦截能力，提高其射程、末速度等关键指标，美国于近年开始了增程型THAAD的研制，即THAAD-ER(ExtendedRange)。THAAD-ER将助推器扩展为两级，并将一级直径扩展为53.3cm，可将拦截弹射程增大到3倍左右。但随着拦截弹射程的增加，需改进制导律，保证拦截弹能顺利进入末制导。本专利技术提出了一种适用于THAAD增程型拦截弹(THAAD-ER)的制导律，为进行攻防对抗，验证武器的突防效果做准备。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对传统的比例导引法或者增强比例导引法容易产生过大的法向过载，提出一种基于迭代预测命中点的增程型拦截弹预测制导方法。本专利技术为一种基于迭代预测命中点的增程型拦截弹预测制导方法，具体步骤如下：步骤1、建立增程型拦截弹模型，列出增程型拦截弹零攻角飞行的动力学和运动学方程；步骤2、通过改变标准弹道被动段初始弹道倾角的值，生成标准弹道族；步骤3、利用抛物线近似标准弹道，利用多项式拟合法拟合近似抛物线系数与标准弹道代号的关系，求得空间任一点与标准弹道代号的数值关系；步骤4、利用二次多项式拟合标准弹道中x-t的关系，利用多项式拟合法拟合二次多项式系数与标准弹道号的关系，得到飞行时间的数值解法；步骤5、通过迭代求解预测命中点的方法，逐步逼近求解，直到迭代求得的预测命中点所在的标准弹道与上一个预测命中点所在的标准弹道相同，结束迭代。其中，步骤1中所述的增程型拦截弹零攻角飞行的动力学和运动学方程如下：式中均为关于增程型拦截弹的量，分别为：m为质量，V为速度，P为助推器推力，α为攻角，X为在空气中收到的阻力，G为重力，θ为弹道倾角，Jz为转动惯量，ωz为弹体转动角速度，Mz为所受力矩，为俯仰角，x、y为地面系下纵程和高度。其中，所述步骤2具体为被动段初始弹道倾角从15°增加至80°，每次增加0.01°。其中，所述步骤3的具体过程如下：首先求解标准弹道对应的近似抛物线。抛物线方程可表示为y＝ax2+bx+c(8)在标准弹道上选取三点，即可求得未知数a、b、c。求解出每条标准弹道对应的a、b、c值，可以得到一组a、b、c数据。将参数a、b、c表示为标准弹道的代号Nθ的函数，那么，抛物线方程就可以表示为y＝fa(Nθ)x2+fb(Nθ)x+fc(Nθ)(9)如果能求得参数a、b、c与Nθ间的函数关系就可以通过将预测命中点P的坐标(xP,yP)带入式(9)求得对应的Nθ。使用三阶多项式对a、b、c进行拟合，则拟合结果可表示为将预测命中点坐标(xP,yP)代入式(11)，可解出Nθ，即确定了标准弹道。其中，所述步骤4的具体过程如下：当已知期望拦截位置(xP,yP)后，可以求得该点所在的标准弹道Nθ，这样问题就可以简化为：当已知(xP,yP)和Nθ求解对应的增程型拦截弹飞行时间tf，再减去当前时刻求得剩余飞行时间tgo。当拦截距离较远时，使用高抛弹道，增程型拦截弹高度y随时间先上升后下降，不是单调函数，射程x随时间单调增加，因此考虑使用多项式拟合法求解射程x与飞行时间t的函数关系。在x方向上，增程型拦截弹在被动段只受空气阻力的作用且在飞行高度较高时速度损失很小，速度大小、高度及空气密度变化小，x方向上空气阻力变化较小，可视为常数，选用二次多项式拟合x-t函数关系x＝a2t2+b2t+c2(12)如果再拟合出a2，b2，c2与Nθ的函数关系，那么就能通过Nθ和x求解飞行时间tf。再次利用多项式拟合法，可拟合出a2，b2，c2与Nθ的函数关系那么，x-t函数关系就可以表示为在根的取舍上，因为是实际物理问题，一定有且仅有唯一根满足条件。分析式(12)，由物理意义可知fa2(θ)<0，从数学关系考虑，随着t逐渐增加，x先上升后下降，因此有两个根满足数学关系。但实际情况中x一定为单调上升的，因此仅有较小的一个根为有物理意义的根，因此其中，所述步骤5的具体过程如下：1)首先设定初始预测命中点M；2)选取经过M点的标准弹道Nθ1，计算增程型拦截弹飞行到此点的飞行时间tf；3)计算经过tf后目标位置T，计算该点所在标准弹道Nθ2：若Nθ1与Nθ2相同，则T即为预测命中点，程序结束；若Nθ1与Nθ2不同，选取M与T之间的位置为新的M，重复步骤2)。本专利技术一种基于迭代预测命中点的增程型拦截弹预测制导方法，与现有技术相比，具有的有益效果是：解决了增程型拦截弹预测制导问题，大量计算在线下进行，减少制导过程中迭代次数，程序计算速度快。附图说明图1是本专利技术流程图；图2是标准弹道与时间线；图3是抛物线近似标准弹道情况示意图；图4a是抛物线系数a拟合情况图(0-200km)；图4b是抛物线系数b拟合情况图(0-200km)；图4c是抛物线系数c拟合情况图(0-200km)；图5a是抛物线系数a拟合情况图(200-400km)；图5b是抛物线系数b拟合情况图(200-400km)；图5c是抛物线系数c拟合情况图(200-400km)；图6a是抛物线系数a拟合情况图(400-600km)；图6b是抛物线系数b拟合情况图(400-600km)；图6c是抛物线系数c拟合情况图(400-600km)；图7是二次多项式拟合x-t情况图；图8a是二次多项式系数a2拟合情况图；图8b是二次多项式系数b2拟合情况图；图8c是二次多项式系数c2拟合情况图；图9是本专利技术详细程序运行流程；图10是三维仿真结果(取射程50km和射程600km)；图11是纵平面内拦截结果；图12是速度时间曲线；图13是高度时间曲线；图14a是不同航路捷径拦截仿真的弹下点(拦截点目标点1)；图14b是不同航路捷径拦截仿真的弹下点(拦截点目标点2)；图14c是不同航路捷径拦截仿真的弹下点(拦截点目标点3)；图14d是不同航路捷径拦截仿真的弹下点(拦截点目标点4)；具体实施方式下面结合附图和实例，对本专利技术的技术方案做进一步的说明。本专利技术是一种基于迭代预测命中点的增程型拦截弹预测制导方法，适用于增程型拦截弹的中制导环节。本专利技术不对目标弹道预报和拦截弹末制导做介绍，预测制导的制导流程如图1所示，具体包括如下步骤：步骤1、对增程型拦截弹建模，列出动力学和运动学方程二维平面中，增程型拦截弹零攻角飞行的动力学和运动学方程如下：式中均为关于增程型拦截弹的量，分别为：m为质量，V为速度，P为助推器推力，α为攻角，X为在空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于迭代预测命中点的增程型拦截弹预测制导方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤1、建立增程型拦截弹模型，列出增程型拦截弹零攻角飞行的动力学和运动学方程；步骤2、通过改变标准弹道被动段初始弹道倾角的值，生成标准弹道族；步骤3、利用抛物线近似标准弹道，利用多项式拟合法拟合近似抛物线系数与标准弹道代号的关系，求得空间任一点与标准弹道代号的数值关系；步骤4、利用二次多项式拟合标准弹道中x‑t的关系，利用多项式拟合法拟合二次多项式系数与标准弹道号的关系，得到飞行时间的数值解法；步骤5、通过迭代求解预测命中点的方法，逐步逼近求解，直到迭代求得的预测命中点所在的标准弹道与上一个预测命中点所在的标准弹道相同，结束迭代。

【技术特征摘要】
1.一种基于迭代预测命中点的增程型拦截弹预测制导方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤1、建立增程型拦截弹模型，列出增程型拦截弹零攻角飞行的动力学和运动学方程；步骤2、通过改变标准弹道被动段初始弹道倾角的值，生成标准弹道族；步骤3、利用抛物线近似标准弹道，利用多项式拟合法拟合近似抛物线系数与标准弹道代号的关系，求得空间任一点与标准弹道代号的数值关系；步骤4、利用二次多项式拟合标准弹道中x-t的关系，利用多项式拟合法拟合二次多项式系数与标准弹道号的关系，得到飞行时间的数值解法；步骤5、通过迭代求解预测命中点的方法，逐步逼近求解，直到迭代求得的预测命中点所在的标准弹道与上一个预测命中点所在的标准弹道相同，结束迭代。2.根据权利要求1所述的一种基于迭代预测命中点的增程型拦截弹预测制导方法，其特征在于：步骤1中所述的增程型拦截弹零攻角飞行的动力学和运动学方程如下：式中均为关于增程型拦截弹的量，分别为：m为质量，V为速度，P为助推器推力，α为攻角，X为在空气中收到的阻力，G为重力，θ为弹道倾角，Jz为转动惯量，ωz为弹体转动角速度，Mz为所受力矩，为俯仰角，x、y为地面系下纵程和高度。3.根据权利要求1所述的一种基于迭代预测命中点的增程型拦截弹预测制导方法，其特征在于：所述步骤2具体为被动段初始弹道倾角从15°增加至80°，每次增加0.01°。4.根据权利要求1所述的一种基于迭代预测命中点的增程型拦截弹预测制导方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程如下：首先求解标准弹道对应的近似抛物线；抛物线方程可表示为y＝ax2+bx+c(8)在标准弹道上选取三点，即可求得未知数a、b、c；求解出每条标准弹道对应的a、b、c值，可以得到一组a、b、c数据；将参数a、b、c表示为标准弹道的代号Nθ的函数，那么，抛物线方程就可以表示为y＝fa(Nθ)x2+fb(Nθ)x+fc(Nθ)(9)如果能求得参数a、b、c与Nθ间的函数关系就可以通过将预测命中点P的坐标(xP,yP)...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈万春，张荣升，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11