临近空间高超声速目标跟踪技术及展望

李　炯，赵　彬，韩　闯，徐　跃

(空军工程大学 防空反导学院，　西安 710051)



·总体工程·

临近空间高超声速目标跟踪技术及展望

李炯，赵彬，韩闯，徐跃

(空军工程大学 防空反导学院，西安 710051)

临近空间高超声速目标对空间防御系统和跟踪技术提出了挑战。文中简要介绍了临近空间高超声速目标的特点；从跟踪算法和目标探测技术两个方面概述了当前临近空间高超声速目标跟踪技术的研究现状；从滤波算法、目标运动模型、目标探测系统和信号处理方法等方面分析了临近空间高超声速目标跟踪技术的发展趋势，提出了一些思考及可行性建议。

临近空间；高超声速目标；跟踪技术

0　引　言

1937年，SCR-28[1]作为世界上第一部跟踪雷达诞生，从此，目标跟踪就开始作为一个科学技术的重要领域而存在，许多科学家和学者致力于该项课题的研究。目标跟踪问题的本质是基于传感器获得的数据对目标的状态进行滤波估计。以往，在国防领域和民用领域中，被提出或是被改进的目标跟踪算法得到了较好的工程应用。但是，随着科技的进步，特别是现代航空航天技术的飞速发展，高速高机动目标的出现使得跟踪滤波采用的动力学模型和目标实际动力学模型不匹配，致使跟踪滤波器发散，跟踪性能下降。在以临近空间高超声速飞行器为代表的高速高机动目标的背景下，提高对该类目标的跟踪性能成为亟待解决的问题[2]。临近空间是指距离地面20 km～100 km的大气层区域，包括部分热层、中间层和平流层，它是迄今为止人类尚未很好开发利用的空间[3]。在该空域，速度大于5 Mach(1 Mach=340.3 m/s)的飞行器称为临近空间高超声速飞行器，它具有飞行高度高、飞行速度快、突防能力强和探测难度大的特点，能够实现在1 h内进行全球打击[4]。

近年来，世界各主要大国都在研究临近空间高超声速飞行器，总体上，该类飞行器可以分为三类：超高速巡航导弹、超高速无人飞机、轨道式再入飞行器[5]。例如：正在试验中的美国X-51“乘波者”超高速巡航导弹和已经获得试验参数的“X-43A”超高速飞行器、俄罗斯的“鹰计划”超高速飞行器计划、德国的“桑格尔”超高速飞行器计划、印度的高超声速巡航导弹[6-7]等都在进行关键技术研究。一旦相关技术取得突破并在工程上得以应用，临近空间必将成为新的军事争夺对象。因此，开展临近空间高超声速飞行器跟踪技术研究具有十分重要的现实意义[8]。

基于以上分析，本文对临近空间高超声速飞行器的跟踪技术进行了综述，并对未来有效地跟踪临近空间高超声速目标进行了展望。

1　临近空间高超声速飞行器介绍

临近空间高超声速飞行器一般采用跳跃飞行轨道，它的运动轨道可以简化为三个阶段：助推段、巡航段、攻击段，在巡航段又可以分为爬升段、平飞加速度段和等速巡航段。各种类型的发动机为这类飞行器在运动中提供动力，而它们产生的强大喷焰羽流为跟踪提供了重要的依据和线索。在发射这类飞行器时，目前有三种方式可供选择：空间平台发射、火箭发射和机载发射，它们的飞行示意图如图1～图3所示。

图1　临近空间平台发射

图2　火箭发射

图3　机载发射

由于临近空间高超声速飞行器这些发射方式以及其特有的飞行方式，它能够在很短的时间内加速到5 Mach以上，迅速打击重点目标，抢占有利形势，因而一旦对这类目标失去预警监视，将会带来难以估量的后果。但是这类目标如此快的速度给跟踪技术带来了挑战，如何进行高精度的有效跟踪是亟待解决的问题。只有根据高超声速飞行器不同的飞行阶段建立合乎实际的运动模型，并改进已有目标跟踪算法或提出新的跟踪策略才能为临近空间高超声速飞行器的有效跟踪打下良好的基础。

2　临近空间高超声速目标跟踪技术发展现状

机动目标跟踪技术经过几十年的研究，已经取得了一些成果，目前，针对目标跟踪问题的研究主要集中在跟踪算法(应用中涉及目标运动模型、滤波算法)和跟踪传感器探测技术等几个方面。由于临近空间高超声速飞行器具有高速高机动的特点，以往的机动目标跟踪技术不能直接用来使用，必须对相关算法和跟踪传感器探测技术同时进行改进才能收到较好的效果。

2.1跟踪算法

在机动目标跟踪中，用的较多的是使用多种模型进行交互计算的交互多模型算法(IMM)，文献[9]采用匀加速(CA)模型、匀速(CV)模型和Singer模型交互跟踪，提供了一种跟踪临近空间高超声速飞行器的思路；文献[10]提出一种多模型概率假设滤波器用于解决多目标跟踪中，目标发生大机动时的丢失问题；文献[11]使用IMM-EV两种算法之间的状态切换，结合跟踪传感器获得的数据实现对机动目标的跟踪；文献[8]提出一种变模型数量和变模型转移概率的变结构多模型跟踪算法对临近空间高超声速飞行器全过程飞行轨迹进行跟踪；通过分析传统变结构多模型算法模型集合不能快速跳转的问题，文献[12]提出一种基于有向图的变结构多模型(DG-VSMM)跟踪算法；针对临近空间高超声速飞行器巡航段跳跃飞行轨迹的特点，文献[13]建立了一种修正的转弯(MCT)跟踪模型；为了应对在跟踪临近空间高超声速飞行器时，由于运动模型不匹配滤波发散，鲁棒性不强的问题，文献[14]提出一种衰减记忆的最小二乘滤波算法；文献[15]引入参考加速度的概念来改进交互多模型跟踪算法，实时结合目标机动的先验信息和动态信息跟踪高超声速目标。总体上，当前的目标跟踪算法有很多，但基于的研究对象是临近空间高超声速目标的跟踪算法研究，我国乃至整个世界都还处在起步阶段，还有一些关键问题需要解决。除了基础的跟踪算法研究，探测装置也需要进行改进才能对来袭的临近空间高超声速目标进行有效跟踪。

2.2目标预警探测技术

通常的国土防空系统可以探测到的高度约为25 km，无法探测25 km以上的空域。使用地基探测手段，虽然可以从国土周边探测到目标，但对于从临近空域进入的目标则无能无力。基于地基雷达的有效预警时间短，因此，对于在国境内飞行的临近空间目标还需要使用地基雷达进行全程监视。地基雷达主要包括临空相控阵雷达、凝视雷达和电磁篱笆，此类雷达作用距离远，能对目标进行有效预警。使用空基平台(3 km)的飞艇和临近空间平台(20 km)飞艇虽然能够增加一定的有效预警时间，但是受制于平台的能源供应，预警监视时间受到较大影响。使用中低轨道的传感器进行复合探测，理论上可以对全球区域临近空间目标进行全程跟踪监视，但实际探测效能受制于能源供应能力和物理原理等因素影响。因而，虽然对临近空间高超声速目标的探测预警有一定的策略可循，但是各种影响目标探测效能的不利因素还有待解决。

从目前对临近空间高超声速目标探测体系的构建情况来看，相关的研究工作还在进行，可以参考的资料有限。文献[16]针对临近空间高超声速目标的特点以及防御该类目标的难点，提出了三个方面的对抗策略；文献[17]讨论了天基雷达系统用于临近空间目标探测的相关问题，研究了天基雷达预警系统的星座设计方法；文献[18]介绍了国外对临近空间目标的探测体系；文献[19]综述了国内外临近空间武器的发展现状和应对该类目标的几点思考；文献[20]从信号处理、信号波形和雷达体制三个方面总结了高速目标探测技术现状，分析了不足，并指临近空间高超声速目标探测领域要解决的问题。

3　临近空间高超声速目标跟踪技术发展趋势分析

3.1改进已有跟踪算法

针对临近空间目标高速高机动的特点，必须从目标跟踪算法的三个方面进行改进才有可能取得较好的跟踪效果。

3.1.1滤波算法

从经典的卡尔曼滤波算法开始，滤波算法领域一直都是研究的热点。针对非线性滤波问题，一般由递归贝叶斯方法来实现。在递归贝叶斯估计框架下，提出了许多可行的非线性滤波方法：扩展卡尔曼滤波算法(EKF)[21]、一阶分离差分卡尔曼滤波算法(DD1KF)[22]、二阶分离差分卡尔曼滤波算法(DD2KF)[22]、二阶卡尔曼滤波算法(SOKF)[23]、线性回归卡尔曼滤波算法(LRKF)[24]、转换测量卡尔曼滤波算法(CMKF)[25]、无迹卡尔曼滤波算法(UKF)[26]、高斯和滤波算法(GSF)[27-28]、高斯-厄米特滤波算法(GHF)[29]、容积卡尔曼滤波算法(CKF)[30]、粒子滤波算法(PF)[31]等。这些滤波算法的核心思想是基于所获得的量测求得非线性系统状态向量的概率密度函数，即所谓的系统状态估计完整描述的后验概率密度函数[32]。

对于具有强非线性系统的临近空间高超声速目标，要得到精确的最优滤波解是不可能的，所以为了获得较好的滤波效果，必须选择合适的次优的非线性滤波算法，并在算法结构上做一些改进，在满足滤波效果的基础上减小滤波计算的复杂度。

3.1.2目标运动模型

目标运动模型反应了目标的运动状态，国内外学者经过大量研究，已经取得了一定成果，比较有代表性的运动模型有：匀速运动模型(CV)、协同转弯模型(CT)、匀加速运动模型(CA)、时间相关模型(Singer)、“当前”模型等，由于运动模型的适用对象不同，需要根据目标的实际运动情况进行选择。根据已知的临近空间高超声速目标的运动轨道，对目标飞行轨道的每个阶段进行分析和研究，选择可以准确反映运动轨迹实际状态的运动模型加以建模，这样可以更好地对临近空间高超声速目标进行跟踪。

随着对临近空间高超声速目标跟踪问题研究的深入，新的更适合该类目标的运动模型可能被提出，这样对于临近空间高超声速目标的跟踪问题会带来更多有价值的参考。

3.1.3跟踪算法的其他方面

交互多模型跟踪算法(IMM)被认为是在实际应用中较好的跟踪算法，针对该算法的改进主要是在模型集的设置以及模型在不同时刻的切换上。对于模型集的设置，根据临近空间高超声速目标运动轨迹的特点选择合适的运动模型进行匹配即可；对于模型的切换，可以考虑根据目标的运动状态采用改变马尔可夫转移概率矩阵来进行模型间的切换。当然，为了使运动模型间的切换更平滑以便于有效跟踪临近空间高超声速目标，可以使用马尔可夫过程的其他运算形式，或是提出模型切换的新算法。

由于临近空间高超声速目标机动的复杂性，加速度不可能是绝对精确的常数，因而可以考虑增加运动模型中目标状态的维数来提高跟踪精度[33]。

3.2跟踪传感器探测技术的改进

3.2.1目标预警探测系统

为了应对临近空间高超声速目标，单一和单站的探测方式已经无法满足要求，必须采用多平台、多模式的太空域预警探测手段，通过合理部署地基、海基、空基、临基和天基探测器，综合雷达、红外、定向能等多模式的探测技术，构成防空、防临近、防天区域内的全方位、大纵深预警探测网[34-35]。另外，临近空间高超声速目标在运动过程中，在其周围会形成等离子体，这些等离子体会对300 MHz～300 GHz范围内的微波产生折射、反射和吸收，使得临近空间高超声速目标具备了一定的隐身功能。因此，利用全频段、多体制和多模式的目标探测器进行分布式组网，并将探测频率向两端扩展，使其覆盖300 MHz～300 GHz范围，才能有效探测到临近空间高超声速目标，这里可以重点发展超视距雷达和激光雷达。此外，为了增加探测器的扫描范围，可以增大波束方位扫描角，采用多面阵雷达或将平面阵天线装在机械转台上是比较有效的措施；同时，为了增加搜索时间，降低搜索数据率，可以采用增大发动机平均功率或增大天线有效孔径面积继而增大天线功率孔径积的方法来实现[36]。

当前，对于临近空间高超声速目标预警探测的方法还处在探索和实验阶段，预警探测系统需要根据临近空间高超声速目标的特性来建设和完善，在预警探测系统的硬件满足要求的情况下，跟踪传感器所使用的信号处理方法则显得尤为重要。

3.2.2跟踪传感器信号处理方法

通常采用线性调频信号对高速目标进行探测，除此之外，还有相位编码步进频率信号及其特例：线性调频步进信号、步进频率信号和正交频分信号、噪声调频连续波信号、Costas编码调频宽带信号、随机噪声调频信号和随机步进频率信号等[20]。线性调频信号与上述其他几种信号相比，在速度估计精度上不占优势，但相比个别编码信号对目标速度的容忍范围较高[37],对于临近空间高超声速目标的探测，常规的线性调频信号效果较好[38]。

由于临近空间高超声速目标的高速高机动的运动特性，不同雷达信号检测取得的效果不同。当雷达发射信号为线性调频信号时，临近空间高超声速目标的运动会产生距离走动和多普勒走动现象，针对该问题，可以采取两种补偿措施，一种是直接进行时间尺度变换抑制速度的影响；另一种是先估计速度，然后补偿相位中的二阶相位部分。对于第一种补偿措施，文献[39-40]使用Keystone变换来进行时间尺度变换，以抵消速度导致的散射点的走动；文献[41-42]采用Radon变换处理实现对运动相位项的参数估计和补偿，以提高检测效果。对于第二种补偿措施，文献[43]采用分段相关的思路实现速度估计，进而补偿高速运动成分；文献[44]用修正离散Chirp-Fourier变换对Stretch处理后的信号进行调频率估计，估计出目标速度，从而实现高速运动补偿；文献[45]利用雷达辅助测距信号测得的参考距离和对目标距离像包络对齐的结果拟合出目标运动轨迹，进而对回波解调频处理，实现回波的脉冲内速度补偿。

上述的宽带信号处理方式，在信号表达式相似的情况下，还可以应用到窄带的情况。但是由于临近空间高超声速目标在运动过程中，在其周围会形成等离子体，这些等离子体会对300 MHz～300 GHz范围内的微波产生折射、反射和吸收，会对上述的信号处理效果带来较大影响。因而除了前文所述对探测系统做一定改进外，信号处理方法也要选择性地使用或做一些改进。根据各种信号在等离子体中的传播特性，选择合适的信号频段，进而结合探测系统的其他需求寻找合适的信号形式和处理方式[20]，文献[46] 研究等离子体中电波传播特性，得出频率越高，其受到的折射效应越小，从而在充分考虑电波传播大气“窗口”特性的情况下，使用毫米波波段。

4　结束语

临近空间高超声速目标的出现是现代航空航天技术不断发展的结果，它对当前的防空系统和跟踪技术提出了新的挑战。本文首先简要介绍了临近空间高超声速目标的特点，接着从跟踪算法和目标探测技术两个方面概述了当前临近空间高超声速目标跟踪技术的研究现状，最后从滤波算法、目标运动模型、目标探测系统和信号处理方法等方面分析了临近空间高超声速目标跟踪技术的发展趋势，提出了一些思考及可行性建议。

随着各国对高超声速飞行器的研究，临近空间将是各国争夺的重要战场。临近空间武器将是未来武器系统的重要组成部分，具有很强的打击都能力。目前临近空间高超声速目标跟踪技术的文献还比较少，本文试图从临近空间高超声速目标跟踪技术的研究现状，分析发展的趋势，希望对相关工作的开展起到抛砖引玉的作用。

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李炯男，1979年生，博士，副教授，硕士生导师。研究方向为飞行器制导、控制与跟踪技术。

赵彬男，1988年生，硕士研究生。研究方向为高超声速目标跟踪技术。

韩闯男，1989年生，硕士研究生。研究方向为智能控制，电力电子。

徐跃男，1990年生，硕士研究生。研究方向为智能控制。

Track Technology and Prospect of Hypersonic Target in Near Space

LI Jiong，ZHAO Bin，HAN Chuang，XU Yue

(Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University,Xi′an 710051, China)

Hypersonic target in near space put forward new challenge to space defense system and track technology. The features of near-space target are introduced briefly, and its current research situation of track technology is overviewed from two aspects of target detection technology and track algorithm. It analyzes development trend of track technology from several aspects which include filtering algorithm, target motion model, target detection system and signal processing method. Moreover, it proposed some thought and some feasible suggestions for track technology research.

near space; hypersonic target; track technology

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.09.001

航空科学基金资助项目(20130196004)

赵彬Email：zhaobinhit@qq.com

2016-04-26

2016-06-30

TN820

A

1004-7859(2016)09-0001-06