基于预警卫星系统的临近空间飞行器跟踪

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1、航空学报Jan．252014V01．35No．1105_115ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．CB基于预警卫星系统的临近空间飞行器跟踪李罗钢，荆武兴，高长生*哈尔滨Z-业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001摘要：系统地研究了如何对临近空间飞行器进行有效实时跟踪的问题，并提出了一种基于约束总体最小二乘与自适应交互式多模型(CTLS-AIMM)滤波相结合的实时跟踪滤波算法。首先考虑到临近空间飞行器的特点，选择使用红外预警卫星系统探测

2、目标飞行器，并使用约束总体最小二乘算法(CTLS)对目标进行粗定位；然后在粗定位信息基础上，使用自适应交互式多模型滤波算法(AIMM)对目标飞行器进行实时跟踪。在AIMM中，根据临近空间飞行器机动特性，合理选择目标模型集，并使用迭代最小二乘算法对模型参数进行自适应调整。通过仿真，验证了该跟踪滤波算法的可行性。关键词：预警卫星；跟踪；临近空间飞行器；约束总体最4'--乘；自适应交互式多模型中图分类号：V412．4文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)01—0105—11临近空间飞行器的快速发展对反导拦截系统提出了更高的要求。研究如何对临近空间目标进行有效防御具有重要战略意

3、义。要想对该类型目标进行有效拦截，首先要对其轨迹进行实时跟踪滤波。本文针对这一问题，系统地研究了如何对临近空间飞行器进行轨迹跟踪滤波。目前国内外在飞行器轨迹跟踪领域主要是针对大气层外空间飞行器和大气层内飞航式飞行器进行研究[1{]，而对临近空间飞行器轨迹跟踪的研究很少，且并未考虑该类飞行器的具体特性[4]。临近空间飞行器与传统的空间飞行器及飞航式飞行器都不同，对其轨迹跟踪算法的研究也有一定的特殊性。与空间飞行器相比，临近空间飞行具备借助稀薄大气进行机动的能力[5]，其动力学模型中的气动力很大程度上是不确定的。因此，针对空间飞行器的跟踪方法，如结合动力学模型的无迹卡尔曼滤波(UKF)、扩

4、展卡尔曼滤波(EKF)及迭代最4"-乘算法等[6]，往往不适用于对临近空间飞行器的跟踪滤波。而与速度较慢，具备强机动能力的部分飞航式飞行器相比，临近空间飞行器机动过载小一些[7](比如一般歼击机过载可以达到59～109，空空导弹更是能达到209以上。单纯依靠临近空间稀薄大气进行机动，其横向过载也就是19～29)，但是速度却快得多[8]。因此，传统针对慢速度、强机动飞航式飞行器的跟踪方法也需要进一步改进。要想对目标进行实时跟踪，首先要实现对目标的有效探测，目前可选择的探测手段包括地基雷达、光学探测和红外探测等。考虑到临近空间飞行器的特点，本文选择使用红外预警卫星(EWS)探测目标飞行器[

5、9。1⋯。并且采用约束总体最小二乘(CTLS)算法对目标进行粗定位。总体最小二乘算法最早于1980年由Golub和vanLoan提出[1¨，并在1987年，由Abatzoglou和Mendel进一步推广为约束总体最小二乘算法[12I。该算法近年来被国内外学者广泛应用于收稿日期：2013-02-01；退修日期：2013·03-19；录用日期：2013-05-23；网络出版时间：2013—08-1908：51网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．1929．V．20130819．0851．001．htmI*通讯作者．Tel．：0451—86418233E-mai

6、l：corturb@126com引用棒武

7、L{LG，JingWX，GaoCS．Trackingnearspacevehicleusingearly-warningsa招llitefJ]．ActaAeronauticaetAstronauticaSini—ca．2014．35(1)：105．115i李罗钢．热武兴．高长生基于预警l星系统的临近空阚飞行器跟踩!J]i航空学报．2014．35(”：105一115．航空学报各种导航滤波及参数识别等相关领域[13-15]。在粗定位信息的基础上，本文根据临近空间飞行器运动特性，研究跟踪算法。目前，对机动飞行目标进行跟踪最常用的方法是交互式多模型算法

8、(IMM)。该算法以往主要应用于大气层内飞航式飞行器轨迹跟踪[16’18

9、。该算法将目标的机动模式映射为模型集，基于每个模型并行滤波，利用各滤波器输出的残差信息，对各模型的状态估计结果进行加权综合来实现对机动目标跟踪。为了覆盖目标机动可能性，该算法需要设计一个尽可能大的模型集。然而，增加模型数量不仅会增加计算量，而且由于过多模型之间的竞争会使跟踪性能下降[19

10、。为了解决IMM算法存在的问题，便出现了自适应交互式多模型滤波(AIMM)算法。AI