基于自适应IMM的高超声速飞行器轨迹预测

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaNov．252016V01．37No．113466．3475ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn基于自适应IMM的高超声速飞行器轨迹预测翟岱亮，雷虎民。，李炯，刘滔空军工程大学防空反导学院，西安710051摘要：为了给基于预测命中点法的高超声速飞行器中制导拦截提供先验知识，提出高超声速飞行器的轨迹预测方法。首先，给出高超声速环境下与目标姿态近似线性的气动参数；其次，针对气动参数作控制量的

2、运动模型，设计自适应交互多模型(IMM)跟踪算法，并进行性能有效性验证；然后，根据气动参数特性和目标假设机动方式，设计基于最小二乘拟合的轨迹预测方法。通过对目标轨迹进行跟踪和预测仿真，预测100S的位置误差均小于5km，速度误差均小于100m／s，结果表明基于自适应IMM的轨迹预测方法对有规律机动的目标进行轨迹预测，效果良好。关键词：高超声速飞行器；目标跟踪；预测；自适应；交互多模型；拟合中图分类号：V249．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)11-3466—10高超声速再人滑翔飞行器(HypersonicRe—entry—Gl

3、ideVehicle，HRGV)一般是指飞行马赫数大于5，能利用自身特殊的气动外形提供升力，在临近空间进行无动力滑翔飞行，执行全球快速打击任务的飞行器[1。2j，典型代表有HTV一2和AHW。它具有机动能力强、弹道灵活多变、难于拦截等诸多优点，受到了高度重视。目前，各军事大国对HRGV的控制特性[3-4。、动力学特性[5缶]、轨迹优化[7-引、热防护[9]以及跟踪[】o。13]等问题进行了大量研究，而对于HRGV的拦截问题鲜有报道。由于目标飞行速度很高，只能采用预测命中点法进行制导拦截，这就对目标的轨迹预测提出了要求。预测问题的实质就是要获知至少两个

4、方面的信息：参量的当前状态分布和参量的变化规律，对于目标的轨迹预测而言，即为目标当前飞行状态和目标运动模型。通过目标跟踪可以获得目标的当前状态；而要获知目标未来时刻的运动模型，需要充分的关于目标的先验知识，包括目标的作战运用方式、机动方式、机动范围以及过去时刻的飞行规律等等。由于目标滑翔阶段飞行时间最长、受力影响因素最少，是防御的主要阶段，本文将以HTV-2的滑翔段为研究对象，进行目标跟踪和轨迹预测研究。由于高超声速飞行器机动方式复杂多样，多模型方法是最具有潜力的跟踪方法[1乱12]。多模型算法要求模型集中具有与目标机动模式匹配的运动模型，但是常用的

5、机动模型与临近空间高超声速飞行器运动模型不匹配。文献E13]通过对目标进行气动分析，设计了基于气动参数的多模型跟踪算法，收到了较好的跟踪效果，但是，它所采用的气动参数与时间序列呈现高度非线性，不利于目标的轨迹预测。轨迹预测问题的实质是时间序列预测问题，简单地采用混沌时间序列预测m]、神经网络m1或灰色预测[163等方法对历史状态数据进行处理，不仅预测精度不高，也不能满收稿日期：2015-11．19；退修日期：2015-12-23；录用日期：2016-02-17；网络出版时间：2016-03·0316：35网络出版地址：WWWcnki．net／kcms

6、／deta¨／11．1929V．20160303．1635．002．htmI基金项目：国家自然科学基金(61573374，61503408)；航空科学基金(20150196006，20140196004)*通讯作者．Tel．：029-84789196E—mail：hmleinet@21cn．com戤甩棒武I翟岱亮．雷虎甓，李炯．等．基f自适应IMM的高超声速飞行器孰迹强溯EJI．靛查学报·2016，37(11)：3466-3475．ZHAIDL，LEIHM，LIJ，eta1．Trajectorypredictionofhypersonicvehicl

7、ebasedonadaptiveIMMEJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSin，ca．2016。37(11)：3466-3475÷翟岱亮，等：基于自适应IMM的高超声速飞行器轨迹预测足对高超声速目标进行轨迹预测的实时性要求。期望的情况应该是通过预测某一能反映目标的运动特性且随时间的变化规律尽量简单(呈线性或周期性变化等)的参数，进而解算目标的轨迹。文献[17—19]通过对目标运动特性的分析，得到了某些反映目标运动特性的参数，但是这些参数随时间的变化不规律，不利于预测。因此，目标精确的高阶运动模型总是伴随着高度的非线性[

8、2“21I，无论对目标跟踪还是对轨迹预测均会增加数据处理难度，降低估计精度。为此，本文首先给出了一组与目标姿