高超音速目标的运动轨迹模拟算法与实现开题报告
2020-04-07 08:43:44
1. 研究目的与意义（文献综述）
| 高超声速目标是指速度超过5倍声速的目标物体，包括飞机、导弹、炮弹等飞行器[1]。现代军事战争、物资运输、空天飞行以及外空探测等对速度的要求越来越高。在战争中，高超声速导弹、轰炸机等打击武器飞行速度快，突防能力强，不易被探测拦截，1-2小时之内可到达全球任意目标，具有极大的威慑力、突防能力以及破坏能力，是保障国家强大的军事力量、取得战争胜利的关键；在民用物资运输方面，高超声速飞机是效率和效益的保障，能够满足当今社会运输行业对速度、数量和距离的要求；另外，高超声速飞行器既能在大气层内以高超声速飞行，又能穿越大气层做再入轨运行，在空间探测和开发上能够极大节约时间、金钱成本，是未来占领制空权、开发空间的关键。 从20世纪60年代开始，美国投入大量财力物力开展相关研究，制定并执行了HyTech、Hyper-X等项目计划，成功试飞X-43A、X-51A等高超声速飞行样机，取得了许多宝贵的实验数据，在超燃冲压发动机、热防护材料、控制系统等关键技术方面取得一定成就。20世纪60年代，苏联紧跟美国步伐，进行了大量研究，2015 年俄罗斯正在开发一体化的建模系统用于高超声速飞行器的研制,建造一个国家级超级计算中心，进行高超声速飞行器的全功能建模和预算[2]。德国、法国、英国、日本等国家也陆续跟进，并将发展高超声速武器作为发展精准打击武器的主要方向。我国从20世纪80年代开始对国外的相关研究进行跟踪，21世纪以来，在各高校和科研机构中进行发动机、材料、控制系统、流体力学等关键领域的研究，最近，还有报告称我国成功进行了高超声速飞行器的飞行试验。 纵观各国在进行高超声速飞行器的试验和探索中，虽然积累了宝贵的试验数据，总结了丰富的理论经验，但对于高超声速飞行规律的掌握依旧不够，依然没有国家开发出符合条件的可持续长时间飞行的样机。另外，典型的高超声速飞行器验证机飞行试验投资高、风险大，如美国X-30验证机研究投资近30亿美元，飞行试验失败；X-33投入近13亿美元，飞行也以失败告终；其余验证机进行一次飞行最少也投入数千万美元[1]。因此，建模成为研究高超声速飞行器的重要一环，它不仅可以为实践研究提供理论支持，而且可以预先对各种情况进行预测与分析，提前发现问题，减少试飞失败的概率，节约昂贵的试验成本。 |
2. 研究的基本内容与方案
| 基本内容及目标 1） 1）学习高超声速飞行器的相关知识以及高超声速飞行器的数学模型； 2） 2）学习并掌握数字信号处理相关算法的MATLAB实现； 3） 3）掌握一般普通飞行器的运动轨迹的数学模型，并能使用MATLAB进行仿真。为后续编写高超声速目标的飞行轨迹的复杂算法做准备； 4） 4）使用MATLAB实现高超声速飞行器的运动轨迹算法，实时输出高超声速飞行器的运动轨迹，并根据实际的风洞实验数据进行检验。 技术方案及措施 1） 1）使用单位脉冲函数作为超燃冲压发动机的数学模型，超燃冲压发动机的特点之一是能够瞬间为高超声速飞行器提供巨大的能量； 2） 2）高超声速飞行器在运动过程中受到的离心力不断变化；高速运动时机身四周流体的压力不断变化，机身发生弹性形变，从而产生气动弹性力；高速状态下流体场的变化导致的受力变化等情况，如果一一考虑，将使建模变得困难。所以建模过程中将高超声速目标视为可控质点，并且仅在纵向平面内研究其运动轨迹，简化运动方程； 3） 3）在设计该模型时，将使用到高阶微分方程描述流体力学、动力学等运动学特征，应尽量对阶数进行优化，降低系统复杂度。为了实时输出运算轨迹，应特别注意MATLAB中figure和holdon的使用；描述运动轨迹时应注意插值法的选取，既不能过分增加算法复杂度，也不能让图形失真，三次插值函数就可以有良好的输出效果[3]； 4） 4）卡尔曼滤波利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计，并能对现场采集的数据进行实时的更新和处理，对轨迹预测大有帮助。在建模过程中引入卡尔曼滤波算法，对于如何预测、拦截、跟踪高超声速目标具有实际意义。 |
3. 研究计划与安排
| 1） 1）第1周—第4周 搜集资料，阅读相关文献，对将研究的问题有初步了解； 2） 2）第5周—第6周 阅读相关文献，了解高超声速目标的运动状态，了解国内外的发展趋势，完成开题报告； 3） 3）第7周—第12周 使用MATLAB完成高超声速目标的运动轨迹算法编写，并撰写论文初稿； 4） 4）第13周—第16周 对轨迹建模算法进行测试分析，修改论文； 5） 5）第17周 论文答辩。 |
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 宗群，曾凡琳，张希彬，等. 高超声速飞行器建模与模型验证[M]. 北京：科学出版社.2015.
[2] 刘晓明，叶蕾，李文杰，等. 2015年高超声速技术发展综述[J]. 北京：飞航导弹，2016，7：18-24.
[3] 刘燕斌，陆宇平，吴在桂. 高超音速飞机模型的仿真研究[J]. 南京：系统仿真学报，2007，19：2633-2641.
[4] 张斌，陈春歌. 某种飞行器运动学轨迹建模与仿真[J]. 大连：战术导弹技术. 2012，（2）：20-26.
[5] 张红文，张科南. 带静态参数的高超声速飞行器轨迹优化算法[J]. 北京：北京航空航天大学学报，2014，2：141-147.
[6] 安昊.高超声速飞行器建模及控制方法研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学.2013.
[7] 奥本海姆.离散时间信号处理[M]. 北京：科学出版社.2000.
[8] 胡广书. 数字信号处理: 理论, 算法与实现[M]. 北京：清华大学出版社，2003.
[9] 周建兴. Matlab从精通到入门[M]. 北京：人民邮电出版社.2008.
[10] 王家文，王皓，等. MATLAB7.0编程基础. 北京：机械工业出版社，2005.
[11] 徐文君. 高超声速飞行器周期巡航轨迹的设计和优化[D]. 南京：南京航空航天大学.2016.
[12] Zhan, R.H.，and Wan J.W. Iterated unscented Kalman filter for passive target tracking[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2007，43：1155-1163.
[13] Jiang Zhao, Rui Zhou. Reentry trajectory optimization for hypersonic vehicle satisfying complex constraints[J]. Chinese Journal of Aeronautics，2013，6：1544-1553.
[14] Shaoxin Feng，Yasheng Zhang. Analysis of Near Space Hypersonic Glide Vehicle Trajectory Characteristics and Defense Difficulties[J]. 5th International Conference on Advanced Materials and Computer Science，2016：679-684.
[15] Haibo Ji1，Lei Wang，Zhuoyue Song，Xiangdong Liu. Trajectory Tracking based on Time-Varying Sliding Mode Controller for Hypersonic Vehicle with Aileron Stuck[J]. Proceedings of the 36th Chinese Control Conference，2017，28：985-989.
[16] Keshmiri S，Mirmirani M，Colgren R. Six-Dof modeling and simulation of a generic hyper-sonic vehicle for conceptual design studies[J]. AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference and Exhibit，Providence，Rhode Island，2004，5：1-12.
