一种天基反导场景下的拦截器部署及离轨决策方法

本发明属于反导，具体涉及一种天基反导场景下的拦截器部署及离轨决策方法。

背景技术：

1、天基反导主要以拦截高速跨域飞行器为主，高速跨域飞行器是威力强大、难防难拦的武器。高速跨域飞行器凭着突防能力强、打击精度高、可携带核弹头和生化弹头等战技特点，是现代战争中最具威胁的攻击性武器之一。高速跨域飞行器在飞行初始段以火箭发动机为动力，发动机关机后，按自由抛物体+滑翔弹道飞行。因此，这种导弹的弹道比较规律，通常可分为助推段、滑翔段、末制导段。反导拦截可分为2个阶段，即助推段拦截、滑翔段拦截，不同拦截阶段有各自的困难和挑战，决定了反导拦截是一项难度很大的技术。

2、在反导拦截的过程中，针对蓝方发射的拦截高速跨域飞行器，天基武器系统的拦截策略通常是基于早期预警、目标识别、快速反应和多层次防御等原则，并且通常作为整体防御体系的一部分，以确保对敌方导弹的有效拦截和防御。

3、此外，对于天基武器系统的拦截策略中，拦截器部署的分布和对应武器的离轨决策问题研究较为关键。因此，亟需研究一种天基反导的拦截器部署及离轨决策方法。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种天基反导场景下的拦截器部署及离轨决策方法，包含时间拦截窗口的建模，建立拦截过程中的时间窗口的模型；建立空间拦截窗口的模型，得到面向蓝方弹道导弹的空间拦截窗口模型；对在轨拦截器的单轨道分布密度进行了计算分析，实现了在不同拦截需求下，天基拦截武器系统能分配出条件最优的在轨拦截器完成对蓝方导弹的拦截。本发明对解决天基反导的拦截器部署以及对应武器的离轨决策有借鉴作用，增强了天基反导拦截系统的合理性和精准性，在航空航天领域具有很好的应用前景。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、步骤1：搭建时间拦截窗口模型；

4、步骤1-1：对于蓝方导弹，滑翔段飞行弹道由其主动段关机点参数(rk,vk,θk)决定，其飞行弹道近似看作椭圆弹道；由椭圆理论得，椭圆弹道的相关参数：长半轴a，短半轴b，偏心率e和半通径p，计算公式表示为：

5、

6、式中，r0为主动段关机点的地心距，v0为主动段关机点的速度，θ0为主动段关机点的弹道倾角；γ0称为能量参数，μ为地球引力系数；其中：

7、

8、步骤1-2：设弹道导弹从近地点p飞至主动段关机点k0、最早拦截点k1以及最晚拦截点k2的时间分别为弹道导弹从近地点p飞至主动段关机点k0、最早拦截点k1以及最晚拦截点k2的偏近点角分别为e0、e1、e2，由开普勒方程知：

9、

10、则得：

11、

12、式中，n表示单位时间内的平均运动，e表示偏近点角，e表示轨道的离心率；

13、步骤1-3：从式(4)推出，蓝方导弹从主动段关机点k0飞至最早拦截点k1的时间飞至最晚拦截点k2的时间分别为：

14、

15、式中，e0、e1和e2分别为目标弹道主动段关机点k0、最早拦截点k1和最晚拦截点k2所对应的偏近点角，其计算公式如下：

16、

17、其中，r1、r2分别表示最早拦截点k1和最晚拦截点k2的地心距；v1、v2分别表示最早拦截点k1和最晚拦截点k2的速度；

18、至此，得到红方导弹拦截的时间窗口为

19、tw＝[t0,t1]                               (7)

20、其中：

21、

22、步骤2：搭建空间拦截窗口；

23、步骤2-1：设在主动段最早碰撞点为κ1，最晚碰撞点为κ2，且定义在κ1点的海拔为h1，蓝方导弹运行时间为t1b，红方导弹运行时间为t1r；在κ2点的海拔为h2，蓝方导弹运行时间为t2b，红方导弹运行时间为t2r；

24、设在滑翔段最早碰撞点为κ3，最晚碰撞点为κ4，且定义在κ3点的海拔为h3，蓝方导弹运行时间为t3b，红方导弹运行时间为t3r；在κ4点的海拔为h4，蓝方导弹运行时间为t4b，红方导弹运行时间为t4r；

25、则κ2点为蓝方导弹的主动段分离点，蓝方导弹在主动段分离点运行时间为t2b，海拔为h2，蓝方导弹此时在发射系x轴上前进距离x2b；

26、步骤2-2：设反导拦截武器在离轨后以攻角为α入轨，当海拔为h2时，红方导弹此时的运行时间t2r，由红方高度射程曲线知，红方导弹此时在发射系x轴上前进距离x2r；

27、此时红蓝双方运行时间差t△：

28、t△＝t2b-t2r                              (9)

29、即拦截武器在轨运动时间为t△，此时在轨运动的前进距离计算公式为：

30、△x2r＝vg×t△                            (10)

31、得红蓝双方的距离x2：

32、x2＝x2b+x2r+△x2r                         (11)

33、设当攻角为α时，在t2r时刻，拦截武器的海拔高度h2r与理想拦截点海拔高度h2相当，得到x2r、x2b、x2；t1r为最早碰撞点κ1的时间，得到x2r、x2b、x1；

34、综上所述得主动段拦截窗口xz：

35、xz＝[x1,x2]                             (12)

36、根据拦截武器能力指标，暂将主动段侧向窗口大小定为xzc0，经过不断迭代，确定拦截武器主动段侧向窗口大小为xzc；

37、步骤2-3：理论上，滑翔段拦截最早碰撞点κ3，与主动段拦截最晚碰撞点κ2重合，即得到x3r、x4b，此时滑翔段最早碰撞点κ3的红蓝双方距离为x3：

38、x3＝x3r+x3b     (13)

39、知κ4处，t4r时刻的x4r、x4b，此时滑翔段最晚碰撞点κ4的红蓝双方距离为x4：

40、x4＝x4r+x4b     (14)

41、由此得滑翔段拦截窗口xh：

42、xh＝[x3,x4]       (15)

43、根据拦截武器能力指标，先将主动段侧向窗口大小定为经过不断迭代，确定拦截武器主动段侧向窗口大小为xhc；

44、步骤3：更新拦截器部署；

45、拦截总窗口跨度差为△x：

46、△x＝x4-x1         (16)

47、在赤道上跨越经度为△l：

48、△l＝△x/l0                              (17)

49、其中l0为赤道上单位经度的距离；

50、假定一个窗口至少有n枚导弹，则得到在轨拦截器单轨道分布数量n：

51、n＝(360/△l)×n                          (18)

52、步骤4：优化拦截器部署；

53、当前拦截窗口内不存在拦截器的时候，此时的主动段窗口为：

54、xz＝[x1,x2]                            (19)

55、此时的滑翔段窗口为：

56、xh＝[x3,x4]                           (20)

57、设优化变量为xo，则优化后的主动段及滑翔段窗口为：

58、

59、此时拦截总窗口跨度差为△x'：

60、△x'＝x4-x1+2xo                       (22)

61、在赤道上跨越经度为△l'：

62、△l'＝△x'/l0                        (23)

63、假定一个窗口至少有n枚导弹，则得到在轨拦截器单轨道分布数量n'：

64、n'＝(360/△l')×n                     (24)

65、步骤5：离轨决策；

66、步骤5-1：设有m个拦截器，分别为拦截器l1、l2…lm，它们均在时间和空间拦截窗口内，得到各个拦截器与目标的相对距离为r1、r2…rm；

67、步骤5-2：进行各个拦截器的离轨优先级排序，其排序原则为：拦截器与目标相对距离从小到大依次排序；

68、步骤5-3：设拦截器l1、l2…lm与目标相对距离的关系为：

69、r1<r2<…<rm                          (25)

70、根据拦截场景进行拦截器的选择，设需要t个拦截器对目标进行拦截，则需要离轨再入拦截的拦截器为l1、…lt。

71、优选地，所述t≥1。

72、本发明的有益效果如下：

73、本发明面向天基反导场景的拦截器部署及离轨决策，该方法能够实现天基反导拦截器的合理分布，以及对应敌方导弹来袭时分配最优的我方拦截器进行拦截，避免了天基拦截器分布的不合理引起的资源浪费，提高了天基反导系统的完备性。