[发明专利]基于拦截几何的高超声速目标拦截弹交接班条件分析方法

摘要

本发明提供了一种基于拦截几何的高超声速目标拦截弹交接班条件分析方法，属于飞行器制导技术领域。本发明的技术要点为：通过考虑目标所有可能的速度方向，并根据拦截弹和目标之间的相对运动关系，推导得到所有可能的命中点的位置，建立拦截几何；根据拦截几何的研究结果以及中末制导交接班时刻拦截弹、目标和拦截几何的位置关系，给出拦截高超声速目标所要满足的拦截条件；在满足拦截条件的基础上给出拦截弹中末制导交接班时刻位置条件的计算方法以及角度条件的求解过程，并分析目标机动对于求解拦截弹角度条件的影响。本发明解决了现有的拦截方法无法实现对高超声速目标拦截的问题。

主权项

1.一种基于拦截几何的高超声速目标拦截弹交接班条件分析方法，其特征在于，步骤一、通过考虑目标所有可能的速度方向，并根据拦截弹和目标之间的相对运动关系，推导得到所有可能的命中点的位置，建立拦截几何；步骤二、根据拦截几何的研究结果以及中末制导交接班时刻拦截弹、目标和拦截几何的位置关系，给出拦截高超声速目标所要满足的拦截条件；步骤三、在满足拦截条件的基础上给出拦截弹中末制导交接班时刻位置条件的计算方法以及角度条件的求解过程，并分析目标机动对于求解拦截弹角度条件的影响；在步骤一中，所建立的拦截几何过程如下：将拦截弹、目标和命中点所确定的平面定义为攻击平面，攻击平面为铅垂平面、水平面或倾斜平面；为了建立拦截几何，首先考虑只有一个命中点的情况；假设拦截弹M和目标T分别以速度v_M和速度v_T沿直线飞行，并且拦截弹在I点拦截到目标，拦截弹、目标和命中点I构成一个三角形，称为拦截三角；假设目标从初始位置运动到命中点所用的时间为T，则s_T＝v_TT                       (1)为了能够成功拦截目标，拦截弹也要在相同的时间内从初始位置运动到命中点，即s_M＝v_MT                      (2)由式(1)和式(2)可得，拦截弹和目标的速度比为θ_M和θ_T分别为拦截弹和目标速度方向与视线之间的夹角，由正弦定理可得将式(4)两边平方可得利用三角函数关系整理得不失一般性，假设拦截弹的速度小于目标的速度，所以需要采用迎头攻击的形式，即θ_M为锐角，因此式(6)可以化简为由式(7)可得，当γ≥1时，对于任意θ_T，都存在一个相应的θ_M使得拦截弹能成功拦截目标；当γ<1时，只有当目标速度方向满足sin²θ_T≤γ²时，才会存在一个θ_M使得拦截弹能成功拦截目标，当sin²θ_T>γ²时，式(7)中的θ_M无解，拦截弹无法拦截到目标；为了确定所有可能的拦截点的位置，在攻击平面内建立平面直角坐标系；该坐标系以拦截弹位置为坐标原点，以视线为X轴，垂直视线方向为Y轴；由于目标速度v_T的方向是不确定的，所以命中点I的位置也是不确定的；对三角形MIN和三角形TIN应用勾股定理可以得出命中点的轨迹：根据拦截弹和目标速度比的定义可得将式(8)和式(9)代入到式(10)中可得x²+y²＝γ²{(r‑x)²+y²}      (11)将式(11)整理可得(x‑r_l)²+y²＝c_l²          (12)其中，式(12)代表所有可能的命中点的轨迹，也就是所求的拦截几何方程，从该方程可以看出，拦截几何是一个圆形；从式(12)中可看出，拦截弹和目标的速度比γ是一个很重要的参数，它与拦截几何的圆心坐标和半径大小有密切的关系；假设拦截弹的速度小于目标的速度，所以速度比γ<1，拦截几何圆心的横坐标r_l<0；用拦截几何的半径减去拦截几何圆心坐标的绝对值可得由式(13)可以看出，当速度比γ<1时，拦截几何将拦截弹包围；O_IX_IY_I为攻击平面内的惯性坐标系，M、T和N分别表示拦截弹、目标和拦截几何圆心的位置，v_M和v_T分别表示拦截弹和目标的速度；在步骤二中，推导拦截高超声速目标所要满足的拦截条件的具体过程为：拦截弹中末制导交接班条件包括位置条件和角度条件，位置条件指拦截弹为成功拦截目标或满足规定的脱靶量要求，在中末制导交接班时刻允许的位置坐标的范围，角度条件指拦截弹在中末制导交接班时刻允许的弹道倾角的范围；由式(7)可得，当速度比γ<1时，目标速度方向只有满足一定的条件，拦截弹才能成功拦截目标；TP和TQ为拦截几何的两条切线，所有可能的拦截点都在直线TP和TQ包围的区域之内，由此可得，只有目标的速度方向在直线TP和TQ包围的区域之内时，拦截弹才能成功拦截目标，即θ_T<θ      (14)其中，θ为拦截几何切线与弹目视线的夹角；θ可以表示为将式(15)代入到式(14)中可得θ_T<arcsinγ               (16)式(16)就是所求的拦截条件，之后对于中末制导交接班条件的分析都是在满足拦截条件的基础上进行的；在步骤三中，所述的中末制导交接班时刻位置条件的推导过程如下：定义1、弹道倾角：速度方向与O_IX_I轴正向夹角，从O_IX_I轴正向开始，逆时针方向为正，顺时针方向为负；用(x_T,y_T)表示中末交班时刻目标在惯性坐标系O_IX_IY_I中的坐标，导引头探测距离为r₁～r₂，导弹位置坐标的范围用(x_M1,y_M1)～(x_M2,y_M2)表示，目标弹道倾角的测量值用表示，则有式(17)和式(18)就是拦截弹在中末制导交接班时刻的位置条件。