基于区域覆盖的多飞行器协同拦截优化设计方法研究

发布时间：2020-09-29 07:01

　　随着军事技术的发展,以临近空间高超声速飞行器为代表的高速大机动目标突防能力不断提高,现有的预警系统难以对其进行精确的探测,使得该类目标的拦截和防御成为困难。在目标探测不准的条件下,单个飞行器的拦截能力已经难以满足作战任务的需求,多飞行器协同拦截逐渐成为未来防御技术的发展趋势。采用多飞行器协同拦截时,首先需要进行协同拦截优化设计,即根据作战任务需求确定飞行器的数量及每个飞行器的拦截任务。现有关于多飞行器协同拦截优化设计的研究大多是在目标运动信息精确已知的条件下进行的,且未充分考虑飞行器的机动能力,难以应用于探测不准下的高超声速目标拦截任务。鉴于此,本文考虑预警系统对目标运动信息的探测误差、目标机动以及飞行器自身的机动能力,以多飞行器协同拦截为研究对象,对其中的关键问题进行了归纳和提炼,并对以下几个方面开展了深入的研究。首先,针对目标机动和运动信息探测不准下的拦截问题,考虑飞行器的机动能力约束给出了可拦截区域的数学描述,并分析了其性质;考虑目标机动和运动信息误差,给出了预测命中区域的数学描述,构造了预测命中区域覆盖指标,将拦截描述为一个区域覆盖问题。在飞行器机动能力不足的条件下,提出了两种协同拦截方法,即同时协同拦截与分时协同拦截。针对多飞行器的同时协同拦截,考虑飞行器在空间上的协同,构造了同时协同拦截指标函数,建立了基于区域覆盖的同时协同拦截问题描述。针对多飞行器的分时协同拦截,考虑前后飞行器在拦截时间上的协同,构造了分时协同拦截指标函数,建立了基于时空覆盖的分时协同拦截问题描述。其次,针对一类区域覆盖优化问题,给出了一种基于距离的区域分割方法,将整体覆盖指标函数进行分解,在此基础上提出了基于分割逼近的区域覆盖优化算法,并证明了算法的收敛性。针对多飞行器的同时协同拦截问题,以中末交班成功概率为约束,提出了基于区域覆盖的同时协同拦截优化设计方法,对飞行器的数量和中末交班时的空间位置散布进行了优化设计,并基于区域覆盖设计了同时协同拦截制导律。然后,针对一类时空覆盖优化问题,给出了一种基于蒙特卡洛采样和有限差商的梯度近似方法,在此基础上提出了基于差商逼近的时空覆盖优化算法,并证明了算法的收敛性。针对多飞行器的分时协同拦截问题,基于时空覆盖优化算法对分时协同拦截的时间间隔进行了优化,并分析了时间间隔的可容许误差;考虑中末交班成功概率需求和时间间隔误差,提出了基于时空覆盖的分时协同拦截优化设计方法,对分时协同拦截所需飞行器的数量和拦截时间间隔进行了优化设计。最后,针对临近空间高超声速目标的拦截问题,分析了目标机动加速度预报误差特性以及预警系统和飞行器对目标运动信息的探测误差,并给出了协同拦截优化设计的约束条件。基于同时协同拦截优化设计方法,对高超声速目标同时协同拦截所需的飞行器数量及空间位置散布进行了优化设计。基于分时协同拦截优化设计方法,对高超声速目标分时协同拦截所需的飞行器数量及拦截时间间隔进行了优化设计。通过仿真说明了两种协同拦截方法的有效性,并对各自的优势与不足进行了对比分析。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：E926.4
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章绪论
    1.1 课题背景及研究意义
    1.2 国内外研究现状及分析
        1.2.1 多智能体系统覆盖优化问题
        1.2.2 多飞行器协同拦截
        1.2.3 临近空间高超声速目标拦截
        1.2.4 存在的主要问题
    1.3 论文研究内容及章节安排
第2章基于区域覆盖的协同拦截问题描述
    2.1 引言
    2.2 坐标系定义及转换关系
        2.2.1 坐标系定义
        2.2.2 坐标系的转换关系
    2.3 基于区域覆盖的拦截问题描述
        2.3.1 飞行器可拦截区域描述
        2.3.2 目标预测命中区域描述
        2.3.3 基于区域覆盖的拦截问题描述
    2.4 基于区域覆盖的同时协同拦截问题描述
        2.4.1 同时协同拦截运动模型
        2.4.2 基于区域覆盖的同时协同拦截问题描述
    2.5 基于时空覆盖的分时协同拦截问题描述
        2.5.1 分时协同拦截运动模型
        2.5.2 基于时空覆盖的分时协同拦截问题描述
    2.6 本章小结
第3章基于区域覆盖的同时协同拦截优化设计方法
    3.1 引言
    3.2 基于分割逼近的区域覆盖优化方法
        3.2.1 区域的分割方法
        3.2.2 基于分割逼近的区域覆盖优化算法
        3.2.3 算法收敛性分析
    3.3 基于区域覆盖的同时协同拦截优化设计方法
        3.3.1 同时协同拦截飞行器空间位置散布优化
        3.3.2 基于区域覆盖的同时协同拦截优化设计
        3.3.3 基于区域覆盖的同时协同拦截制导律设计
    3.4 仿真结果及分析
    3.5 本章小结
第4章基于时空覆盖的分时协同拦截优化设计方法
    4.1 引言
    4.2 基于差商逼近的时空覆盖优化方法
        4.2.1 梯度的差商近似方法
        4.2.2 基于差商逼近的时空覆盖优化算法
        4.2.3 算法收敛性分析
    4.3 基于时空覆盖的分时协同拦截优化设计方法
        4.3.1 分时协同拦截时间间隔设计
        4.3.2 时间间隔可容许误差分析
        4.3.3 基于时空覆盖的分时协同拦截优化设计
    4.4 仿真结果及分析
    4.5 本章小结
第5章临近空间高超声速目标协同拦截优化设计
    5.1 引言
    5.2 高超声速目标协同拦截问题分析
        5.2.1 目标运动模型及加速度预报误差
        5.2.2 目标运动信息探测误差
        5.2.3 协同拦截优化设计约束条件
    5.3 高超声速目标同时协同拦截优化设计
        5.3.1 高超声速目标同时协同拦截优化设计
        5.3.2 同时协同拦截仿真
    5.4 高超声速目标分时协同拦截优化设计
        5.4.1 高超声速目标分时协同拦截优化设计
        5.4.2 分时协同拦截仿真
    5.5 协同拦截对比分析
        5.5.1 飞行器机动能力需求分析
        5.5.2 中末交班误差分析
    5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历

【参考文献】