防空导弹弹族多目标优化设计
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摘要
新一代的防空导弹要求不仅单个和单类防空武器的性能大大提高,而且必须形成多种防空武器有组织的防空体系,与相应的空袭体系对抗。如何能够组建一个高性能的防空网络,这就许要运用导弹族化思想对防空网络内的各种型号的导弹进行弹族化设计思考。
本文设计的全空域防空导弹弹族包含了三种导弹：单级近程防空导弹,两级中程防空导弹和三级远程防空导弹,他们分别简称为弹1,弹2,弹3。因为采用了导弹族化的设计理念,所以要求防空导弹弹族内导弹1的固体火箭双推力发动同时也作为导弹2和导弹3的主级发动机,另外导弹2的助推器同时也作为导弹3的二级助推器使用。因为导弹最小起飞质量是导弹最重要的总体性能指标之一,并且弹族内三个型号的导弹在质量上存在耦合关系,所以如何确定防空导弹弹族内各种导弹的最小起飞质量的问题是本文研究的重点。本文针对一这个全空域防空导弹弹族进行了族内三种导弹最小起飞质量一体化设计,建立了以三种导弹最小起飞质量为目标函数的多目标优化模型,并采用多目标优化理论进行优化求解。
本文中防空导弹弹族最小起飞质量优化设计的主要研究内容如下：
第一,防空导弹弹族优化数学模型的建立和分析,建立了弹族内各种导弹的运动数学模型、质量模型、推进模型、大气环境模型,并以此建立起以防空导弹弹族中各种导弹的最小起飞质量为目标函数的多目标优化模型。
第二,本文对多目标函数的优化问题,采用了工程上比较实用的宽容分层法,即将多目标问题处理成单目标问题,并在一定的宽容度下,将得到的相对最优解定义成下-个优化目标的新的约束,从而逐层优化并添加约束。在处理单层优化问题上,本文选择了混合型遗传算法,进行单目标优化求解。
第三,本文在编制整个优化程序过程中使用了MATLAB/SIMULINK可视化编程仿真工具作为防空导弹弹族运动方程组积分求解器。因此可以在预先设置的不同程序断点下直观的通过图形分析防空导弹弹族一体优化过程中防空导弹飞行性能的变化情况。
第四,为了对比和分析弹族最小起飞质量一体优化的结果,本文又针对弹族中弹1进行了以最小起飞质量,最大飞行末速度,最大飞行平均速度的多目标优化。
The requirements of the new generation of air defense missiles is that not only a single performance of a single class of anti-aircraft weapons need to be improved, but also the a variety of air defense weapons need to organized into air defense system, which match against the air attack system. The way of to build a high-performance air defense network is that the design of defense network in Missile Familization Design Thinking.
In this dissertation, a Multi-objective optimization design model of the Air-defense Missile Family including three air-defense missiles is built by Missile Familization Design Thinking. In this Air-defense Missile Family, the restricted coupling in mass of missiles among Short-range air defense missile, Medium-range air defense missile and Long-range air defense missile. Moreover the minimum launch mass of missile is one of most important factor in missile design. So the the minimum launch mass of three missiles is picked up to be the objective function in the Multi-objective optimization design model.
The main contents of this dissertation are as follows:
1. Build the optimization mathematical model of the Air-defense Missile Family including three air-defense missiles, as the objective function in minimum launch mass of three missiles. The main mathematical model contains Mathematical motion model, mass model, propulsion system models, and atmospheric model.
2. The main method of coping with the multi-objective optimization of air-defense missile family by Stepwise Tolerance Method in conversion of multi-objective into Single objective optimization and adaptive genetic algorithm (AGA) in dealing of Single objective optimization.
3. A solver of motion equations of air-defense missile is programmed in MATLAB/SIMULINK. The solvers of motion equations of air-defense missile produce visual simulation to help analyze the result of the multi-objective optimization of air-defense missile family. Moreover the solver can provide the air-defense missile-velocity of Characteristic curve.
4. For a clear contradistinction among the results of different multi-objective functions, a model of multi-objective optimization of single missile in the air-defense missile family is set up to get the minimum launch mass, the maximum terminal velocity and the maximum mean velocity.
本文设计的全空域防空导弹弹族包含了三种导弹：单级近程防空导弹,两级中程防空导弹和三级远程防空导弹,他们分别简称为弹1,弹2,弹3。因为采用了导弹族化的设计理念,所以要求防空导弹弹族内导弹1的固体火箭双推力发动同时也作为导弹2和导弹3的主级发动机,另外导弹2的助推器同时也作为导弹3的二级助推器使用。因为导弹最小起飞质量是导弹最重要的总体性能指标之一,并且弹族内三个型号的导弹在质量上存在耦合关系,所以如何确定防空导弹弹族内各种导弹的最小起飞质量的问题是本文研究的重点。本文针对一这个全空域防空导弹弹族进行了族内三种导弹最小起飞质量一体化设计,建立了以三种导弹最小起飞质量为目标函数的多目标优化模型,并采用多目标优化理论进行优化求解。
本文中防空导弹弹族最小起飞质量优化设计的主要研究内容如下：
第一,防空导弹弹族优化数学模型的建立和分析,建立了弹族内各种导弹的运动数学模型、质量模型、推进模型、大气环境模型,并以此建立起以防空导弹弹族中各种导弹的最小起飞质量为目标函数的多目标优化模型。
第二,本文对多目标函数的优化问题,采用了工程上比较实用的宽容分层法,即将多目标问题处理成单目标问题,并在一定的宽容度下,将得到的相对最优解定义成下-个优化目标的新的约束,从而逐层优化并添加约束。在处理单层优化问题上,本文选择了混合型遗传算法,进行单目标优化求解。
第三,本文在编制整个优化程序过程中使用了MATLAB/SIMULINK可视化编程仿真工具作为防空导弹弹族运动方程组积分求解器。因此可以在预先设置的不同程序断点下直观的通过图形分析防空导弹弹族一体优化过程中防空导弹飞行性能的变化情况。
第四,为了对比和分析弹族最小起飞质量一体优化的结果,本文又针对弹族中弹1进行了以最小起飞质量,最大飞行末速度,最大飞行平均速度的多目标优化。
The requirements of the new generation of air defense missiles is that not only a single performance of a single class of anti-aircraft weapons need to be improved, but also the a variety of air defense weapons need to organized into air defense system, which match against the air attack system. The way of to build a high-performance air defense network is that the design of defense network in Missile Familization Design Thinking.
In this dissertation, a Multi-objective optimization design model of the Air-defense Missile Family including three air-defense missiles is built by Missile Familization Design Thinking. In this Air-defense Missile Family, the restricted coupling in mass of missiles among Short-range air defense missile, Medium-range air defense missile and Long-range air defense missile. Moreover the minimum launch mass of missile is one of most important factor in missile design. So the the minimum launch mass of three missiles is picked up to be the objective function in the Multi-objective optimization design model.
The main contents of this dissertation are as follows:
1. Build the optimization mathematical model of the Air-defense Missile Family including three air-defense missiles, as the objective function in minimum launch mass of three missiles. The main mathematical model contains Mathematical motion model, mass model, propulsion system models, and atmospheric model.
2. The main method of coping with the multi-objective optimization of air-defense missile family by Stepwise Tolerance Method in conversion of multi-objective into Single objective optimization and adaptive genetic algorithm (AGA) in dealing of Single objective optimization.
3. A solver of motion equations of air-defense missile is programmed in MATLAB/SIMULINK. The solvers of motion equations of air-defense missile produce visual simulation to help analyze the result of the multi-objective optimization of air-defense missile family. Moreover the solver can provide the air-defense missile-velocity of Characteristic curve.
4. For a clear contradistinction among the results of different multi-objective functions, a model of multi-objective optimization of single missile in the air-defense missile family is set up to get the minimum launch mass, the maximum terminal velocity and the maximum mean velocity.
引文
[1]赵少奎,导弹与航天技术导论,中国宇航出版社,2008
[2]孙景文,李志民,导弹防御与空间对抗,原子能出版社,2004
[3]徐品高,现代防空导弹几个值得关注的发展动向,战术导弹技术,1998年第1期
[4]徐品高,现代国土防空近程点防御防空导弹系统的发射区远界和杀伤区远界.现代防御技术,2008年06期
[5]徐品高,现代战术防空体系对地空导弹需求分析,地面防空武器2002年第4期
[6]张志鸿,俄罗斯现代防空导弹体系的发展[J].现代防御技术,2002,(2)
[7]林玉琛,国外防空导弹武器系统发展趋势,系统工程与电子技术,1984年10期
[8]石江月,中国多层防空导弹系统,世界报/2008年/9月/10日/第001版
[9]单绍敏,杨凤鸣,防空导弹经济可承受性与陆军防空装备体系建设,地面防空武器,2006年,第1期
[10]袁华,简金蕾,任宏滨,金凤杰,第四代防空导弹的几个关键技术,战术导弹控制技术,2007年No.1(总56期)
[11]于本水,防空导弹弹族化总体技术研究,系统工程与电子技术,1996年05期
[12]李向林,于本水,防空导弹总体设计方法的新发展—弹族化设计,现代防御技术,2002年6月,第30卷第3期
[13]金玉华,反TBM拦截器总体设计研究[D].航天工业总公司第二研究院博士文,1998
[14]徐品高,特种空中目标威胁的评定[J].战术导弹技术,2002,(3)
[15]于本水,防空导弹总体设计,中国宇航出版社,2009年8月
[16]刘新建,导弹总体分析与设计,国防科技大学出版社,2006年8月
[17]张望根,寻的防空导弹总体设计[M],宇航出版社,,1991
[18]谷良贤,温炳恒,导弹总体设计原理,西北工业大学出版社,2004年11月
[19]Eugenel Fleeman, TACTICAL MISSIE DESIGN, American Institute of Aeronautics and Astronautics.inc
[20]翟春惠,国外防空导弹导引头发展现状及动向,制导与引信,1986年04期
[21]万自明,陈定昌,殷兴良,大气层内飞行的KKV关键技术分析综述,系统工程与电子技术,1999年10期
[22]范晋祥,谢文龙,弹道导弹防御动能拦截弹红外成像导引头仿真系统与技术的发展,红外与激光工程,2009年06期
[23]雷虎明,导弹制导与控制原理,国防工业出版社,2006年5月
[24]李邦杰,王明海,李小波,反导导弹垂直发射初段控制设计初探,飞行力学,第21卷第1期2003年3月
[25]束川良,垂直冷发射防空导弹弹道设计中的参数优化,上海航天,2003年第2期,1006-1630(2003)02-0030-03
[26]高钱,杏芳,林瑞雄,赵亚男,导弹飞行力学,北京理工天大学出版社,2003年6月
[27]袁子怀,钱杏芳,有控飞行力学与计算机仿真,国防工业出版社,2001年
[28]赵育善,吴斌,导弹引论,西北工业出版社,2000年6月
[29]张皓,赵雯,周鸿伟,王维平,导弹总体设计过程中的过程模型研究,系统仿真学报,Vol.16 No.12.Dec.2004
[30]刘克龙,姚卫星,余雄庆,几种新型多学科设计优化算法及比较,计算机集成制造系统,2007年2月,第13卷,第2期
[31]陈卫东,蔡萌林,于诗源,工程优化方法,哈尔滨工程大学出版社,2006年2月
[32]李万祥,工程优化设计与MATLAB实现,清华大学出版社,2010年2月
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[46]崔逊学,多目标进化算法及其应用,国防工业出版社, 第1版(2006年6月1日)
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[48]陈万春,赵丽红,刘佳琪,黄皎仁,反战术弹道导弹总体优化设计研究,北京航空航天大学学报,1999年12月,第25卷第6期
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[51]谭湘霞,于本水,拦截弹推进及弹道参数的模糊优化研究,现代防御技术,2002年8月
第30卷,第4期
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[53]Imado.F, Kuroda.T, Optimization missile guidance system against Nahypersonic target [R].AIAA-92-4531,1992
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[56]宋叶志,贾东永,MATLAB数值分析与应用,机械工业出版社,2009年7月
[57]苏金明,张莲花,刘波,MATLAB工具箱应用,电子工业出版社,2004年1月
[58]董霖,MATLAB使用详解,电子工业出版社,2009年12月
[59]李庆扬,王能超,易大义,数值分析,华中科技大学出版社,2007年8月
[2]孙景文,李志民,导弹防御与空间对抗,原子能出版社,2004
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[48]陈万春,赵丽红,刘佳琪,黄皎仁,反战术弹道导弹总体优化设计研究,北京航空航天大学学报,1999年12月,第25卷第6期
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