1.1 课题研究背景和意义
临近空间高超声速飞行器（Near Space Hypersonic Vehicle，NSHV）是指只在或可在临近空间（距地面 20~l00km 的空域）作长期、持续高速飞行的大气飞行器。由于临近空间介于普通航空飞机的飞行空间和航天器轨道空间之间的特殊区域，将传统的航天与航空联系在一起， 在未来空间攻防、信息对抗、一体化联合作战方面具有重要的应用价值和特殊的军事战略意义[1]。而且 NSHV 具有飞行速度快、航行距离远、机动能力强、飞行轨迹复杂多变，难以被雷达追踪探测等特点，同样有着十分重要的军事应用价值，可用于战区侦察、预警、通信以及全球快速打击等方面[2]。NSHV 极大地改变了机动、火力、防护、时间、空间、毁伤等战争和战斗概念的内涵，并将对传统的作战能力、作战样式和作战理论产生颠覆性影响。NSHV潜在的巨大军事和经济价值使得当前世界各军事强国纷纷投巨资到该领域, 成为航空航天技术发展的一个热点。随着美国 X-51A NSHV 试验机试验飞行的成功，标志着美国取得了 NSHV 关键技术的重大突破，具备了从试验研究转向工程应用的基本条件[3]。这意味着面向 NSHV 机动目标的跟踪将成为一个亟待解决的问题。为了明确目标可能的机动轨迹以实现对 NSHV 机动目标的精确跟踪，对 NSHV 飞行轨迹及其控制方法的研究具有十分重要的现实意义。
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1.2 国内外研究和发展概况
几十年来，通过世界各国的不懈努力，临近空间高超声速技术已经从概念和原理探索阶段进入以高超声速巡航导弹、高超声速飞机、跨大气层飞行器和空天飞机等为应用背景的应用技术开发阶段[4-5]。美国在 NSHV 技术研究中居领先地位。从 20 世纪 60 年代开始，美国就有计划地开展 NSHV 相关技术的研究与探索，并成功进行了基于火箭发动机的X-15 高超声速验证机的首次飞行试验。80 年代中期，美国开展了“国家空天飞机”（NASP）计划，NASP 计划虽然最终被取消，但 NASP 大大推动了高超声速技术的发展。从 1985 年至 1944 年的 10 年间，美国进行了一系列的实验研究，相关的试验设备也在不断升级，其中 NASA Langley 研究中心对乘波体外形一体化和超燃冲压发动机的相关研究实验就做了 3200 多次[6-7]。实际飞行器的工程设计正因为有了这些试验数据的支撑才最终实现 [8-9] 。美国在 NASP 计划失败后，采取了更为稳妥的研究策略，研究方向转为更加现实可行的应用目标：以研制高超声速巡航导弹为背景开展关键技术攻关和飞行演示验证[10]。20 世纪 90 年代中期至今，美国开展了高超声速飞行器试验（Hyper-X）计划、高超声速飞行（Hy Fly）计划、高超声速技术（Hy Tech）计划和 FALCON 计划等，成功进行了以超燃冲压发动机为动力的 NSHV 飞行[10-11]。俄罗斯的 NSHV 技术在苏联时代可以美国比肩，苏联解体后其许多先进技术的研发陷入停滞阶段，但其在 NSHV 技术研究领域仍处于世界前列。俄罗斯在 NSHV 研究领域的一个显著特点是其雄厚的冲压发动机技术。其高超声速技术是在苏联原有的冲压发动机技术基础上发展起来的。目前俄罗斯的 NSHV 技术已处于飞行试验阶段[12-13]。俄罗斯先后开展了“冷”“彩虹”和“针”等高超声速计划[14-15]。其中自 1991年以来进行了 5 次轴对称发动机飞行试验，其中除第三、四次出现过电子、机械故障外，其余三次都十分成功。由于俄罗斯的经济原因，其“冷”计划实验都与国外合作，该计划主要是验证轴对称亚/超然冲压发动机技术。其中第二、三次实验是俄法合作，第四、五次是俄美合作。
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第 2 章 NSHV 全空域飞行轨迹建模
2.1 坐标系的定义和各坐标系之间的变换
为了建立 NSHV 的三维全空域飞行轨迹数学模型，本文用到了以下几种坐标系：地心直角坐标系 O-XYZ：原点 O 位于地球质心处，Z 轴指向地球的北极，X 轴指向起始子午面与赤道的交点，Y 轴位于赤道面上且按右手系与X 轴呈 90°夹角。飞行器位置坐标系 O-xyz：原点 O 位于地球质心处，Ox 轴沿地球质心与飞行器质点 M 的连线指向天。Oy 轴在赤道平面与 Ox 轴垂直，指向运动方向。Oz 轴方向由右手定则确定。地心旋转坐标系 O-X1Y1Z1：原点 O 位于地球质心处，OX1 在赤道平面内指向某时刻 t0 的起始子午线。OZ1 轴指向地球的北极，并垂直于赤道面。Y1 轴方向由右手定则确定。显然，该坐标系相对于地心直角坐标系 O-XYZ 以地球自转角速度ωe 旋转。地心大地坐标系：采用大地经度θ、纬度?和大地高 H 来描述空间位置的。纬度?是空间的点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角；经度θ是空间中的点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角；大地高 H 是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。发射坐标系 o-xyz：以发射地点（如发射站）为坐标系原点 o，z 轴与椭球法线重合，向上为正（天向），y 与椭球短半轴重合（北向），x 轴与地球椭球的长半轴重合（东向）所构成的直角坐标系，称为当地东北天坐标系。由于发射点 o随地球一起旋转，因此发射坐标系为一动坐标系。发射惯性坐标系 o A-x Ay Az A：飞行器起飞瞬间，坐标系的原点 o A 与发射点 o重合。各坐标轴与发射坐标系各轴也相应重合。
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2.2 NSHV 的飞行轨迹
NSHV 的飞行轨迹一般可以分为三个阶段：助推段、巡航段和俯冲攻击段。在发射助推段，利用飞机、火箭等飞行器将 NSHV 送至预定高度投放，助推器点火发动，依靠助推器提供的动力将飞行器向上加速推进；在巡航段，助推器脱落分离，NSHV 依靠超燃冲压发动机提供的动力飞行；在俯冲攻击端，一般采用比例导引法改变飞行器的飞行轨迹，通过改变航迹倾角和攻击目标视线角的关系，实现对目标的攻击。NHSV 全空域飞行轨迹数学模型包括发动机推力、大气、气动力、动力学和运动学等模型。NSHV 在大气层中飞行时，大气密度、温度、气压状态等因素对飞行器的姿态和位置等飞行状态有着重要的影响。其中大气密度作为大气环境参数的重要组成，其大小直接影响 NSHV 在飞行过程中受到的气动力大小。因此在仿真中，主要考虑大气密度的影响。
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第 3 章 三种 NSHV 全空域飞行轨迹的仿真比较........14
3.1 常值稳态式飞行轨迹的弹道设计....15
3.1.1 纵向弹道设计.........15
3.1.2 侧向弹道设计.........16
3.2 非周期性滑跃式飞行轨迹的弹道设计.... 17
3.3 周期性跳跃式飞行轨迹的弹道设计........ 18
3.4 三种飞行轨迹的仿真与分析比较....19
3.5 本章小结..........28
第 4 章 纵侧向运动和地球自转对 NSHV 飞行轨迹的影响分析......29
4.1 纵侧向运动对 NSHV 飞行轨迹的影响............ 29
4.2 地球自转对 NSHV 飞行轨迹的影响分析........31
4.3 本章小结..........34
第 5 章 基于 NSHV 全空域飞行轨迹的跟踪算例分析.........35
5.1 跟踪算法的选择与仿真场景设计....35
5.2 跟踪算例的分析与比较............41
5.3 本章小结..........43
第 5 章 基于 NSHV 全空域飞行轨迹的跟踪算例分析
5.1 跟踪算法的选择与仿真场景设计
为了研究现有机动目标跟踪模型在跟踪本文建立的 NSHV 全空域飞行轨迹时的性能，本文以 NSHV 周期性跳跃式全空域飞行轨迹为跟踪目标，选择 Singer模型、CS 模型、3DVT 模型分别结合容积卡尔曼滤波算法（CKF）的跟踪算法，进行了跟踪算例分析。为了比较这三种目标跟踪模型在跟踪本文仿真出的 NSHV 飞行轨迹时的性能，运用 MATLAB 软件，以建立的 NSHV 周期性跳跃式飞行轨迹为跟踪目标，做了蒙特卡罗仿真分析。从图 5.1 可以看出，在 NSHV 周期性跳跃式飞行轨迹仿真中，CS 模型在NSHV 的 X 方向上的位置跟踪误差标准差在 50 秒左右、150 秒到 250 秒之间和330 秒左右的三个区域都比较大，跟踪效果较差。Singer 模型除在 50 秒左右的跟踪误差标准差大于 3DVT 模型外，总体跟踪效果与 3DVT 差不多，都优于 CS模型。从图 5.2 可以看出，CS 模型、Singer 模型 3DVT 模型在目标 Y 方向的位置跟踪误差标准差相差不大，基本相同。其中 CS 模型的跟踪效果稍好一点，Singer模型次之，3DVT 模型跟踪误差最大，但是三者总体相差不大。
总结
由于临近空间所处的特殊区域，并且 NSHV 具有飞行速度快、机动能力强、轨迹复杂多变等特点，具有很强的军事战略意义，NSHV 成为各国争相研究的热点问题。针对 NSHV 目标跟踪的问题成为了一个亟待解决的问题。为了明确目标可能的机动轨迹以实现对 NSHV 机动目标的精确跟踪，对 NSHV 飞行轨迹及其控制方法的研究具有十分重要的现实意义。而目前大多数文献针对高超声速飞行器的仿真建模和目标跟踪模型算法研究都是基于飞行器的纵向运动，没有考虑侧向运动等其他因素的影响。本文面向 NSHV 的目标跟踪，主要研究了NSHV 飞行轨迹控制方法。面向 NSHV 目标跟踪的 NSHV 飞行轨迹控制方法研究，本文的主要工作内容和创新点归纳如下：
（1）建立了 NSHV 全空域飞
