临近空间高超声速飞行器跟踪技术

关
欣， ： 等 临近 空 间高超 声速 飞行 器跟踪 技 术
５
体混合模 式等低速 飞行器 ， 括 了各类 飞 艇及 充气 气球 等 ； 包 而高 马赫数 的飞行器主要用于远程 机动作 战和精 确打 击 ， 包
括 高 超声 速 的 巡 航 飞 行 器 和 巡 航 弹 、 用 航 空 飞 行 器 （ Ａ 通 Ｃ Ｖ） 等 。 目前 ， 马 赫 数 飞 行 器 是 各 国 争 相 研 究 的 热 点 ， 国 的 高 美 ｘ 一 ３ Ｘ 一 １ 属 于 此 类 飞行 器 。 ４、 ５ 均
ｐ ｓ ｓ ｓ ｍｅｆ ａ ｉｌ ｕ ｇ ｓｉｎ ｏ ｒ ｃ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｒ ｓ ａ ｃ ． ｏ ｅ ｏ ｅ ｓｂ ｅ ｓ ｇ ｅ ｔ ｓｆ ｒｔａ ｋ ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ
Ｋ ｅ ｏ ｄｓ：ｎ ａ ｐ ｃ ｙｗ ｒ ｅ ｒｓ ａ ｅ； ｈ ｐｅｓ ｎ ｃ ａｒ ｒ ｆ； ｔａ ｋ ｔｃ ｎ ｌｇ ｙ ｒｏ ｉ ｉｃ ａｔ ｒ ｃ ｅ ｈ ｏｏ ｙ
磁波产生折 射 、 射 和 吸收 。等离 子 体 的频 率几 乎覆 盖 了 反
３ ０ＭＨ ～ ０ Ｈ 范 围 内 的 所 有 微 波 频 段 ， 就 使 飞 行 器 ０ ｚ ３ ０Ｇ ｚ 这
具有 了一定 的隐身效果 。因此 ， 需要 对现有 跟踪传感 器进行
比对 分 析 ， 而选 取 出 适 合 完 成 临 近 宅 问 高超 声 速 飞 行 器 跟 从 踪的传感器 。
供 动 力 ， 动 机 产 生 强 大 的 喷 焰 习 流 ， 种 信 号特 征 给 跟 踪 发 习 这 提 供 了 重 要 的 线 索 和 依 据 。 高 超 声 速 飞 行 器 在 进 入 临 近 空 间 后 ， 般 采 用 跳 跃 飞 行 轨 道 ， 种 方 案 已 经 扩 展 到 了 军 事 一 这 领 域 ， 在 国 际 上 引 起 了广 泛 的 关 注 。 并
近年来 ， 临近空 间成为军事领 域的研究热 点。随着 Ｘ一 ４、 ３ ｘ一５ 等临近空 间高超 声速 飞行器 的相 继 出现 ， 国已 １ 各 经加快了研究 临近空 间高超 声速 飞行器 的步伐 。临近空 间 高超声速飞行器具有 “ 飞行 速度 快” “ 、 巡航高 度高 ” “ 防 、突 能力强” 的作战特点 ， 可在 ２ｈ内对 全球任 一 目标 进行快 速精确打击 ， 这就给我国的安全体系构成 了巨大 的威胁 。因
２ ）提出跟踪传感器可行 的改进措 施。 由于 高超声 速飞
２ 临 近 空 间高 超 声 速 飞 行 器 的运 动 特 性
临近空间高超声速飞行器 的运动轨道 简化 为 ３个 阶段 ： 助推段 、 巡航 段和攻 击段 ， 中 ， 其 巡航 段又包 括爬 升段 、 飞 平 加速段和等速巡航 段 。这 类 飞行器 主要 依靠 各类 发 动机 提
ｓ ｎｉ ｉｃａ ｔｉ ｅ ｒｓ ａ ｅ ｏ ｃ ａｒ ｒ ｆ ｎ ｎ ａ ｐ ｃ ．Ｆｒ ｍ ｈ ｏ ｓｄ ｒｔｏ ｆｔ ｓ ｅ ｔ ｎ ｔａ ｋ ｏ ｅ ｏ ｎ ｌ ｏ ｉ ｍ ，ｉ ｐ ｏ ｏ ｔ ｅ ｃ ｎ ｉ ｅ ａｉ ｎ ｏ ｗｏ ａ ｐ ｃｓｉ ｒ ｃ ｆｓ ｎｓ ｒａ ｄ ａｇ ｒｔ ｈ ｔ ｒ—
Ｔｒ ｃ ｃ ｏ ｏ ｙ ｏ ｙ ｒ ｏ ｉ ｒ ｒ ｆ ｎ Ｎｅ ｒ Ｓ ｃ ａ ｋ Ｔｅ ｈｎ ｌ ｇ ｆ Ｈ ｐｅ ｓ ｎ ｃ Ａｉ ｃ ａ ｔ ｉ ａ ｐａ ｅ
ＧＵＡＮ Ｘ ｎ，Ｚ ｉ ＨＡ０ Ｊｎ ｉｇ，ＨＥ Ｙｏ ｕ
（ｎｔｕｅｏ ｆｒ ａｉ ｕｉ ｅｈ ｏ ｇ ， ａｙＡ ｉ ｉ ｎｉｅｒ ｇＡ ａｅ ｙ Ｙ ｎ ｉ ６０ １ Ｃ ｉａ Ｉｓｔｔ ｆｎｏｍ ｔ ｎＦ ｓ ｎＴ ｃｎ ｌ ｙ Ｎ ｖ ｖａｏ Ｅ ｇ ｅｉ ｃｄｍ ， ａｔ ４０ ， ｈ ） ｉ Ｉ ｏ ｏ ｏ ｔｎ ｎ ｎ ａ２ ｎ
由于临近空 间高超 声速飞行器所 特有 的这种 １ 特性 ， ５ Ｉ 行 它能够在很短 的时 间内完 成加速 ， 往在巡 航段 开始几百 秒 往
的时 间 内速 度 就 可 达 到 ６～ ， 是 。 惊 人 的 。 以 ｘ 一 ７ Ｍａ 这 分
踪 中 ， 而 固 定 式 的相 控 阵扫 描 天线 的 扫 描 范 围不 超 过 然
频率 向两 端 扩 展 。 因为 等 离 子 体 的频 率 几 乎 覆 盖 了 ３０ ０
ＭＨ 一３０Ｇ ｚ范 围 内 的 所 有 微 波 频 段 ， ｚ ０ Ｈ 只有 将 探 测 频 率 向 两 端 延 伸 ， 展 超 视 距 雷 达 和 激 光 雷 达 ， 能 有 效 探 测 到 临 发 才 近 空 间高 超 声 速 飞 行 器 Ｊ ② 增 大 波 束 方 位 扫 描 角 。相 控 。 阵 雷 达 由 于其 卓 越 的性 能 也 将 被 运 用 在 高 超 声 速 飞 行 器 跟
ａｔ ｉｉ ｏ ｈ ｐ ｒ ｎ ｉ ｒｆｉ ｅｒ ｐ ｃ ， ｎ ｒｐ ｓｄｓｍ ｏ ｇ ｔ ｂ ｕ ａｋｔ ｈ ｏｏｙｏ ｙｅ－ ｅ ｒ ｔ ｆ ｙ ｅｓ ｉ ａ ｃａｔｎｎａ ａｅ ａｄｐｏｏｅ ｏ ｅｔ ｕ ｈ ａ ｏ ｔｒｃ ｃｎ ｌ ｆ ｐ ｒ ｅ ｓｅ ｏｃ ｒ ｓ ｈ ｔ ｅ ｇ ｈ
此， 我们在研发临近空间高超声速飞行器 的同时必须 同步进
行临近空间高超声速 飞行器 的跟踪技 术研究 ， 只有这样才能
防患于未然。
带 ”各国军队均未给予太多重视。但近年来 ， ， 以美军为代表
的西方发达 国家军 队仿 佛一夜 之 问突然发 现 了这 块既不 属 于航空范畴也不属于航 天范畴 的“ 大陆” 并强烈认 为 ， 新 ， 临 近空间对于 睛报收集 、 侦察 监视 、 通信 保障 以及对 空对地作 战等具有特殊和广阔的应 用前 景 ， 以作 为一 个新 的作 战空 可
间 来 填 补 航 空 和 航 天 空 间 之 间 的 空 白 ， 必 将 在 未 来 电子 势
１ 临 近 空 间及 临近 空 间飞 行 器
１１ 临近 空 间 ． 临 近空 间 （ ｅｒ ｐ ｃ） 指 距 地 面 ２ １０ｋ 的 空 ｎａ ａｅ 是 ｓ ０～ ０ ｍ
战、 信息战领域发挥巨大的军事应用潜力。
１２ 临 近 空 间 飞 行 器 ．
域 ， 括大气平 流层 区域 （ 包 指距 地面 ｌ ５ｋ ８—５ ｍ的空域 ） 大 、 气中间层 区域 （ 指距 地面 ５ ８ ｍ 的空域 ） 小部分增 温 ５— ５ｋ 和
层 区域 （ 距 地 面 ８ 指 ５～８０ ｋ 的 空 域 ） 纵 跨 非 电 离 层 和 电 ０ ｍ ，
行 器 具 有 “ ” “ ”、 小 ” 特 点 ， 本 上 相 当 于 一 个 隐 身 高 、快 “ 的 基
的 目标 ， 因此对跟踪传 感 器 的跟踪 精度提 出了更高 的要求 。
为 了提高跟踪传感 器 的精度 ， 过 阅读相 关资 料 ， 通 本文提 出
一
些可行性 的措施 ， 主要 的思 路如 下 ： 将跟踪 传感 器探测 ①
ｌ ．４ｋ ５ ２ ｉ ｎ的高 空 ， 后 Hale Waihona Puke Baidu 吊臂 释 放 ， 推 级 点 火 工 作 约 ３ ， 然 助 ０ｓ
面阵天线 装在机械转动 台上 ， 这样就会 使雷达探 测 目标 时具 有更 大的灵活性 。③ 增大 天线功率 孑 径积 。增大 功率孔 径 Ｌ
积 的途 径 ： 是 增 大发 射 机 的 平 均 功 率 。 现 役 对 空 情 报 雷 达 一
临 近 空 间 飞 行 器 是 指 工 作 于 临 近 空 间 并 利 用 临 近 空
间独有 资源和特点来 执行一 定任 务的一类 飞行器 。临近空
间飞行器的划分方法有很 多种 ， 这里按照 飞行 的速度可 以分 为高速和低速临近 空间飞行 器。低 马赫数 的飞行器 主要用 于情报收集 、 侦察监视 、 信保障 ， 通 如升力式 、 浮力 式 、 浮一 升
间高 超 声 速 飞 行 器 跟 踪 技 术 的 几 点 思 考 。 从 跟 踪 传 感 器 及 跟 踪 算 法 两 方 面 考 虑 ， 跟 踪 技 术 研 究 提 出几 点 可 行 性 为
建议 。 关键词 ： 临近空 间 ； 高超声速飞行器 ； 跟踪技术
中 图分 类 号 ：Ｎ ２ ． Ｔ ８０ ４ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０６－ ７ ７ ２ １ ） ８一 Ｏ４— ３ １０ ０ ０ （０ １ ０ ＯＯ ０
质大气 ） 是一块非常重 要和有 利用价 值 的空域。临近 空间 ，
处 于现有飞机 的最高飞行高度和卫星 的最低轨道高度之 间，
由于其重要 的开发应用价值而在 国际上引起广泛关注。
相 比 ２ ｍ 以下 的 天 空 和 １０ ｋ 以 上 的太 空 ， Ｏｋ ０ ｍ 目前 的
临近空 间显得分外 “ 冷清 ” 。长期 以来 ， 因上 有卫 星、 下有 飞 机 ，０— ０ ｍ 的临 近空 间 成 了一个 相 对 独立 的 “ 平地 ２ １０ ｋ 和
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｈ ａ ｅ ｔ ｄ ｃ ｄ ｔ ｅ ｆ ａｕ ｅ ｆｎ ａ ｐ ｃ ｎ ｓａｒ ｒ ｆ ｔ ｎ ｌｚ ｄ ｔ ｅ ｍｏ ｅ ｎ ｈ ｒ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｅ ｐ ｐ ｒｉ ｒ ｕ ｅ ｈ ｔ ｒ ｓｏ ｅ ｒ ａ ｅ ａ ｄ ｉ ｉ ａｔ ａｙ ｅ ｖ ｍｅ ｔ ａ － ｎ ｏ ｅ ｓ ｔ ｃ ．Ｉ ａ ｈ ｃ
±６ 。 因此不能满足 全方 位扫 描需 求 ， 了增 大扫 描范 围 ， ０， 为
可 以采取两 个措 施 ： 一 ， 用 多面 阵 ， 不是 不可能 的 ， 第 采 这 因 为美 国及 俄 罗 斯 已经 拥 有 了这 样 的 相 控 阵 雷 达 ； 二 ， 平 第 将
５ 为例 ， 由一 架 Ｂ一５ Ｈ 轰 炸 机 携 带 １至 太 平 洋 上 １ 它 ２ ５ －
的平 均功率在数千瓦 的量级 。根据 微波 电真空器件 的水平 ， 雷达发射 机的功率至少还可 以提 高一个数量 级 ， 国外对情报 雷达 的功率 已达数 十 千瓦 。二是 增 大天 线有 效 孔 径 面积 。 从理论角度考 虑 ， 增大 天线 孔径 ， 波束变 窄 ， 而增加搜索 则 进
将飞行器推 至 ｌ． ９ｋ 的高空 并达 ４ ５Ｍａ 在 助推 级燃 料 ８２ ｍ ． ；
燃 尽 后 ， 推 级 与 中 间级 和巡 航 级 分 离 ， 间 级 分 离后 ， 航 助 中 巡
级在无动力状 态下 滑翔数秒后 ， 超然冲压 发动机 开始进 入高
超 声 速 试 验 阶段 ， 航 级 的 发 动 机 点 火 后 工 作 ３０ｓ 使 飞 行 巡 ０ ，
●
离层 （０ｋ ６ ｍ以下 为非 电离层 ，０—１ ０ ｍ为电离层 ） 其绝 ６ ０ｋ ０ ，
大部 分 成 分 为 均 质 大 气 （０ｋ 以 下 的大 气 ， 面 的 是 非 均 ９ ｍ 上
收稿 日期 ：０ １ ６—１ ２ １ —０ ６ 基金项 目： 全国优秀博士论文作者 专项 资金 资助项 目（０ ４ ３ ２ ０４ ） 作者简介 ： 关欣 （９ ８ ） 女 ， １７ 一 ， 博士 ， 副教授 ， 硕士生导师 ， 主要从事多传感器信息融合 、 目标 跟踪研究 。
第３ ２卷
第 ８期
四 川 兵 工 学 报
２１ ０ １年 ８月
【 武器装备】
临近 空 间高超 声 速 飞行 器 跟 踪 技 术
关 欣， 赵 静， 何 友
２４ ０ ） ６ ０ １ （ 军 航 空 工 程 学 院 信 息 融合 技 术 研 究 所 ， 东 烟 台 海 山
摘要 ： 介绍 了临近空 间及 临近空 间飞行器 的特点 ， 分析 了临近空 间高超声 速飞行器 的运动特性 ， 出 了关 于临近空 提