一种预警探测临近空间高超声速飞行器的系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种预警探测临近空间高超声速飞行器的系统，包括若干个飞艇，其特征在于，每个所述飞艇上搭载红外探测设备，根据所述红外探测设备的探测距离，将若干个飞艇间隔分布在待探测区域，以组建红外探测网络，使防御区域覆盖率、防御区域重叠率、重点区域覆盖率、资源利用率、飞艇间衔接距离均达到在待探测区域探测到高超声速飞行器的要求，所有飞艇上的红外探测设备的数据传送到指挥中心平台的控制终端。本发明同时公开一种预警探测临近空间高超声速飞行器的飞艇组网方法。本发明以临近空间飞艇作为探测平台进行组网预警，飞艇组网布站不受地域限制，使得组网布站范围更广，方式更灵活，并且组网系统的发射成本与维护成本较低。
【专利说明】
-种预譬探测临近空间高超声速飞行器的系统及方法
技术领域
[0001] 本发明设及探测技术领域，具体的说是一种预警探测临近空间高超声速飞行器的 系统及方法。
【背景技术】
[0002] 针对临近空间高超声速飞行器的预警探测，现有研究大都集中在地基雷达组网探 测上。临近空间高超声速飞行器由于体积小，加上隐身设计，使得自身RCS很小，不利于雷达 探测;在飞行过程中与空气产生剧烈摩擦，对雷达波具有散射作用，进一步增大雷达探测难 度，所W利用雷达探测预警临近空间高超声速飞行器难度较大。同时，地基雷达布站受地域 限制，只能在陆地上进行布站组网，降低了雷达组网系统的有效探测范围；地基雷达布站选 址要求较高，只有某些特定区域能进行雷达的布站组网，导致雷达布站自由度很低;高超声 速飞行器飞行高度远低于传统弹道导弹，导致地基雷达探测受地球曲率影响较大，造成对 目标的有效预警时间太短。综上所述，地基雷达组网探测临近空间高超声速飞行器的方案 效果并不理想。天基探测无法对目标实现紧密跟踪，空基探测驻留时间太短，对操控要求较 高，并且成本巨大，均不适用于高超声速飞行器的探测预警。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种预警探测临近空间高超声速飞行器的 系统及方法，解决现有技术地基雷达组网探测受到自然因素限制的问题。
[0004] 为达到上述目的，本发明通过W下技术方案来具体实现：
[0005] -种预警探测临近空间高超声速飞行器的系统，包括若干个飞艇，每个所述飞艇 上搭载红外探测设备，根据所述红外探测设备的探测距离，将若干个飞艇间隔分布在待探 测区域，W组建红外探测网络，使防御区域覆盖率、防御区域重叠率、重点区域覆盖率、资源 利用率、飞艇间衔接距离等指标均达到预警探测高超声速飞行器的需求，所有飞艇上红外 探测设备的数据传送到指挥中屯、平台控制终端。所述临近空间是指大气层内部距离地面不 超过IOOkm并且不少于IOkm的空间；优选地，防御区域覆盖率不低于95%，重点区域覆盖率 不低于97%，资源利用率不低于90%、飞艇间衔接距离不大于3000km。
[0006] 防御区域覆盖率是指飞艇组网系统对整个防御区域的探测覆盖面积与防御区域 面积之比。
[0007] 利用蒙特卡罗方法进行指标计算，例如：首先在防御区域内按均匀分布随机生成 100万个坐标点，计算每一个坐标点与组网系统中每个飞艇之间的距离，判断距离是否小于 飞艇的最远探测距离，若小于最远距离则认为其在飞艇的探测范围内，统计在飞艇探测范 围内的坐标点个数，用其除W总坐标点数得到防御区域覆盖率。
[000引此外，还需要对重点区域覆盖率进行衡量，所述重点区域覆盖率是指飞艇组网系 统对整个重点区域的探测覆盖面积与重点区域面积之比。所述重点区域是指当临近空间高 超声速飞行器从敌方发射平台发射攻击我方重点保护区域时，飞行器最有可能飞行经过的 区域。
[0009] 利用蒙特卡罗方法进行指标计算，例如：首先在重点区域内按均匀分布随机生成 100万个坐标点，计算每一个坐标点与组网系统中每个飞艇之间的距离，判断距离是否小于 飞艇的最远探测距离，若小于最远距离则认为其在飞艇的探测范围内，统计在飞艇探测范 围内的坐标点个数，用其除W总坐标点数得到重点区域覆盖率。
[0010] 防御区域重叠率是指飞艇组网系统中两个飞艇W上对待探测区域的重叠探测面 积与防御区域面积的比值。
[0011] 利用蒙特卡罗方法进行指标计算，例如：首先在防御区域内按均匀分布随机生成 100万个坐标点，计算每一个坐标点与组网系统中每个飞艇之间的距离，判断距离是否小于 飞艇的最远探测距离，若小于最远距离则认为其在飞艇的探测范围内，统计同时在两个W 上飞艇探测范围内的坐标点的个数，用其除W总坐标点数得到防御区重叠率。
[0012] 资源利用率是指待探测区域中除去组网系统中S个飞艇W上对待探测区域重叠 探测部分的面积与待探测区域面积的比值。
[0013] 利用蒙特卡罗方法进行指标计算，例如：首先在防御区域内按均匀分布随机生成 100万个坐标点，计算每一个坐标点与组网系统中每个飞艇之间的距离，判断距离是否小于 飞艇的最远探测距离，若小于最远距离则认为其在飞艇的探测范围内，统计同时在=个W 上飞艇探测范围内的坐标点的个数，用不满足同时在=个W上飞艇探测范围内的坐标点数 除W总坐标点数得到资源利用率。
[0014] 飞艇间衔接距离是指相邻两飞艇间所需限制的最远距离。其中所需限制的最远距 离是指:需要有足够的时间让相邻飞艇间进行信息的传递，故限制相邻飞艇间的最远距离。
[0015] 通过所述飞艇上的所述红外探测设备接收所述控制终端的控制信号，并把控制信 号发送给飞艇的动力控制系统。
[0016] 红外探测网络所覆盖的待探测区域中，在临近空间内的任意一个坐标点都满足高 超声速飞行器的探测要求。
[0017] 所述红外探测网络是根据飞艇放置区域范围、红外探测器对高超声速飞行器的探 测距离、飞艇数量、防御区域覆盖率、防御区域重叠率、重点区域覆盖率、飞艇间衔接距离等 指标，利用优化算法来确定的飞艇红外探测系统的组网方案，其中所述飞艇红外探测系统 的组网方案是指给定数量飞艇的最优布站方案。
[0018] 优选地，所述优化算法包括蚁群算法、遗传算法或粒子群算法。
[0019] 所述飞艇为飞行高度在0. lKm-20Km之间，依靠空气浮力升空、驻空，工作能源为太 阳能电池或燃料电池，可进行机动巡航的浮空飞行器;所述临近空间是指距离地平面20Km- IOOKm的空间。
[0020] -种预警探测临近空间高超声速飞行器的方法，包括：
[0021] 步骤一、针对指定的预警防御任务，根据高超声速飞行器的来袭方向、可能飞行轨 迹W及重点保护区域所在位置，划分飞艇放置的区域范围；所述重点保护区域，是指根据防 务的需要和战略价值的需要进行标定的区域。
[0022] 步骤二、根据所需防御的临近空间高超声速飞行器类型估算其在飞行过程中的红 外福射强度，通过分析防御区域所处环境的大气透过率，确定红外探测器对高超声速飞行 器的最远探测距离。
[0023] 步骤S、根据飞艇数量、红外探测器对高超声速飞行器的探测距离、防御区域覆盖 率、防御区域重叠率、重点区域覆盖率、资源利用率、飞艇间衔接距离等要求，利用优化算法 确定飞艇红外探测系统的组网部署方案。
[0024] 步骤四、由红外探测器对临近空间高超声速飞行器的飞行状态进行探测，并将探 测结果发送给控制终端，由控制终端进行识别，W判断飞行器是否为可信飞行器，如果判断 为不可信飞行器则对其进行跟踪，同时调用防御系统对其进行拦截。所述飞行状态包括飞 行速度、飞行方向、飞行路线、与地面所呈的角度W及飞行器的大小、负载、隐身性能等参 数。
[0025] 所述防御系统是指由各种型号的战斗机、地对空导弹等组成的防御体系。
[00%] 步骤一中，所述高超声速飞行器为飞行速度大于5Ma，飞行高度在20Km-100Km之间 的飞行器;和/或，所述飞行状态包括飞行速度、飞行方向、飞行路线、与地面所呈的角度W 及飞行器大小、负载、隐身性能等参数。
[0027] 本发明W临近空间飞艇作为探测平台进行组网预警，飞艇组网布站不受地域限 审IJ，使得组网布站范围更广，方式更灵活，并且组网系统的发射成本与维护成本较低。飞艇 红外组网探测系统与地基组网探测方式相比，不受地球曲率的影响，探测距离更远，克服了 对来袭高超声速飞行器预警时间短的缺点；与天基组网探测方式相比，探测器和目标距离 更近，定位精度高，跟踪性能更高；与空基组网探测相比，飞艇组网探测系统驻留时间更长， 操控更加简便。本发明弥补了我国现有导弹防御系统对高超声速飞行器预警探测能力不足 的弱点，进而构建起我国高超声速飞行器预警探测体系。
[0028] 本发明提供了一种预警探测临近空间高超声速飞行器的系统及探测方法，W临近 空间飞艇作为探测平台，搭载红外探测设备，通过对多艘飞艇进行组网布站设计，确定临近 空间飞艇红外探测系统的组网方案，实现对临近空间高超声速飞行器的有效预警探测。飞 艇组网布站不受地域限制，组网布站范围更广，方式更灵活，成本更低，较好的利用了高超 声速飞行器红外福射强的特点。飞艇红外组网探测系统不受地球曲率的影响，探测距离更 远，克服了对来袭高超声速飞行器预警时间短的缺点；通过临近空间飞艇红外组网探测系 统看临近空间高超声速飞行器，缩短了探测器和目标之间的距离，定位精度更高，跟踪性能 更好;飞艇红外组网探测系统能在空中长时间驻留时间，并且机动控制更加简便。
【附图说明】
[0029] 下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0030] 图1为仿真得到飞艇组网部署方案示意图。
[0031] 图2为系统流程图。
[0032] 图3为区域划分图。
[0033] 图4为飞艇组网示意图。
[0034] 图5为算法流程图。
[0035] 图中：100、边境线；110、防御区域；120、重点区域；130、可能发射区域；140、领海； 150、重点保护区域。
[0036] A-H为飞艇所在的位置。
【具体实施方式】
[0037] 实施例：如图1-4所示，敌国在其沿海区域部署了临近空间高超声速飞行器的发射 系统，严重威胁我国安全，需要在我国的领海线内部署浮空飞艇对高超声速飞行器进行预 警防御。首先根据飞行器最有可能的飞行路径划分出大小为3000 X7000km2的矩形重点区 域，由于高超声速飞行器在其飞行过程中可能会进行机动飞行或者受到环境的影响，而偏 离重点区域，攻击其它区域，在重点区域的基础上进行区域拓展，划分出大小为7000 X 7000km2的正方形防御区域，其中重点区域位于防御区域的中屯、。W临近空间高超声速飞行 器的最低飞行高度30km作为预警探测高度层；飞艇部署在20km的高空，对敌国可能发射的 临近空间高超声速飞行器性能进行分析，预估其红外福射强度，通过分析防御区域的大气 透过率，计算出探测器的最远探测距离为1800km。可用浮空飞艇数量为8,需要满足防御区 域覆盖率不低于95%，重点区域覆盖率不低于97%，资源利用率不低于90%、飞艇间衔接距 离不大于3000km的防御要求，利用优化算法仿真得到飞艇组网部署方案如图1所示。
[0038] 仿真结果得组网系统的各飞艇部署坐标为：A( 1850,5273)、B(4340,6304)、C (6979，5178)、D(1756，3762)、E(5367,4126)、F(1648,1562)、G(3606,1856)、H(5376,1850)， 防御区域覆盖率为95.34%，重点区域覆盖率为97.99%，防御区域重叠率为48.56%、资源 利用率为94.95%、相邻飞艇间最远距离如下表1所示：
[0039] 表 1
[0040]
[0041] 优点：该方法可W实现满足多约束条件的飞艇红外探测系统组网方案，从案例仿 真结果可W看出，组网方案各项条件均满足任务最低要求，可W实现对于防御区域、重点区 域的良好覆盖;系统中两个W上飞艇对防御区内同一区域的探测形成重叠覆盖时，会保证 对此区域的防御更加严密，该组网方案可W达到较高的防御区域重叠覆盖率，保证了对防 御区域的严密防御；系统中S个W上飞艇对防御区内同一区域的覆盖探测，会造成资源的 浪费，该组网方案可W实现较高的资源利用率，减少资源浪费;相邻飞艇间进行信息的交互 传递，需要一定的反应时间，就需要保证相邻飞艇间的距离不超过衔接距离，该组网方案保 证了相邻飞艇间的距离满足任务要求(见表1)，实现了组网系统良好的信息衔接。
[0042] 如图5所示，本案例中优化算法采用遗传算法，首先根据给定飞艇数量随机产生初 始组网部署方案群体，进行多约束条件判断，对于不满足约束条件的部署方案，调整飞艇间 位置进行部署方案的修正，满足判断后进行适应度计算(本案例中，适应度函数为max[0.7 (a-l)2+0.3(0-1)2]，其中a为防御区域覆盖率、e为防御区域重叠率，I是理想值、比重系数 0.7与O . 3是由实际任务中对覆盖率及重叠率的需求所给定的。），判断终止条件(循环超过 遗传代数或者适应度基本不在改变），若满足终止条件则输出最优部署方案，若不满足终止 条件则进行遗传操作(例如选择、交叉、变异等操作），对遗传得到的新方案重新进行条件判 断，计算适应度，不断循环，直至找到最优部署方案。
[0043] 选择是指对多种部署方案进行优胜劣汰，选择适应度值更大的个体方案。
[0044] 交叉是指从多种部署方案中选择个体方案，按预设概率进行交叉，重新生成个体 方案。
[0045] 变异是指将个体方案按预设概率进行变异，生成新部署方案。
[0046] 进行多轮选择操作后得到适应度更大的个体方案，然后进行交叉操作W提升算法 的捜索能力，在个体方案接近最优方案附近时，利用变异操作使算法加速向最优方案收敛。
[0047] 本发明实施例所述的一种预警探测临近空间高超声速飞行器的系统，包括若干个 飞艇，每个所述飞艇上搭载红外探测设备，根据所述红外探测设备的探测距离，将若干个飞 艇间隔分布在待探测区域，W组建红外探测网络，使防御区域覆盖率、防御区域重叠率、重 点区域覆盖率、资源利用率、飞艇间衔接距离等指标均达到预警探测高超声速飞行器的需 求，所有飞艇上的红外探测设备数据传送到指挥中屯、平台的控制终端。
[004引优选地，所述空中坐标点的高度坐标在0.化m-20km之间。
[0049] 通过所述飞艇上的所述红外探测设备接收所述控制终端的控制信号，并把控制信 号发送给飞艇的动力控制系统。
[0050] 所述红外探测网络根据飞艇放置的区域范围、红外探测器对高超声速飞行器的探 测距离、飞艇数量、防御区域覆盖率、防御区域重叠率、重点区域覆盖率、资源利用率、飞艇 间衔接距离等指标，利用优化算法来确定飞艇红外探测系统的组网方案，其中所述飞艇红 外探测系统的组网方案是指给定数量飞艇的最优布站方案。
[0051 ]所述飞艇为飞行高度在0. lKm-20Km之间，依靠空气浮力升空、驻空，工作能源为太 阳能电池或燃料电池，可进行机动巡航的浮空飞行器;所述临近空间是指距离地平面20Km- IOOKm的空间。
[0052] -种预警探测临近空间高超声速飞行器的方法，包括：
[0053] 步骤一、针对指定的预警防御任务，根据高超声速飞行器的来袭方向、可能飞行轨 迹W及重点保护区域所在位置，划分飞艇放置的区域范围；所述重点保护区域，是指根据防 务的需要和战略价值的需要进行标定的区域。
[0054] 步骤二、根据所需防御的临近空间高超声速飞行器类型估算其在飞行过程中的红 外福射强度，通过分析防御区域所处环境的大气透过率，确定红外探测器对高超声速飞行 器的最远探测距离。
[0055] 步骤=、根据飞艇数量、红外探测器对高超声速飞行器的探测距离、防御区域覆盖 率、防御区域重叠率、重点区域覆盖率、资源利用率、飞艇间衔接距离等要求，利用优化算法 确定飞艇红外探测系统的组网部署方案
[0056] 步骤四、由红外探测器对临近空间高超声速飞行器飞行状态进行探测，并将探测 结果发送给控制终端，由控制终端进行识别，W判断飞行器是否为可信飞行器，如果判断为 不可信飞行器则对其进行跟踪，同时调用防御系统对其进行拦截。所述飞行状态包括飞行 的速度、飞行的方向、飞行路线、与地面所呈的角度W及飞行器的大小、负载、隐身性能等参 数。
[0057] 步骤一中，所述高超声速飞行器为飞行速度大于5Ma，飞行高度在20Km-100Km之间 的飞行器;和/或，所述飞行状态包括飞行速度、飞行方向、飞行路线、与地面所呈的角度W 及飞行器大小、负载、隐身性能等参数。
[0058] 本发明提供了一种预警探测临近空间高超声速飞行器的系统及方法，W临近空间 飞艇作为探测平台，搭载红外探测设备，通过对多艘飞艇进行组网布站设计，确定临近空间 飞艇红外探测系统的组网方案，实现对临近空间高超声速飞行器的有效预警探测。飞艇组 网布站不受地域限制，组网布站范围更广，方式更灵活，成本更低，较好的利用了高超声速 飞行器红外福射强的特点。飞艇红外组网探测系统受地球曲率影响更小，探测距离更远，克 服了对来袭高超声速飞行器预警时间短的缺点;通过临近空间飞艇红外组网探测系统预警 临近空间高超声速飞行器，缩短了探测器和目标之间的距离，定位精度更高，跟踪性能更 好;飞艇红外组网探测系统能在空中长时间驻留时间，机动控制更加简便。
[0059] 最后应说明的是：W上所述仅为发明的优选实施例而已，并不用于限制发明，尽管 参照前述实施例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可W对前 述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之 内。
【主权项】
1. 一种预警探测临近空间高超声速飞行器的系统，包括若干个飞艇，其特征在于，每个 所述飞艇上搭载红外探测设备，根据所述红外探测设备的探测距离，将若干个飞艇间隔分 布在待探测区域，以组建红外探测网络，使防御区域覆盖率、防御区域重叠率、资源利用率、 飞艇间衔接距离均达到在待探测区域探测到高超声速飞行器的要求，所有飞艇上的红外探 测设备的数据传送到指挥中心平台的控制终端。2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，通过所述飞艇上的所述红外探测设备接收所 述控制终端的控制信号，并把控制信号发送给飞艇的动力控制系统。3. 如权利要求1-2之一所述的系统，其特征在于，红外探测网络所覆盖的待探测区域 中，在临近空间内的任意一个坐标点都满足高超声速飞行器的探测要求。4. 如权利要求1-3之一所述的系统，其特征在于，通过所述红外探测网络根据飞艇放置 的区域范围、红外探测设备对高超声速飞行器的探测距离、飞艇数量、防御区域覆盖率、防 御区域重叠率、资源利用率、飞艇间衔接距离等，利用优化算法来确定飞艇红外探测系统的 组网方案，其中所述飞艇红外探测系统的组网方案是指给定数量飞艇的布站方案。 优选地，所述优化算法包括蚁群算法、遗传算法或粒子群算法。5. 如权利要求1-4之一所述的系统，其特征在于，所述飞艇为飞行高度在0. lKm-20Km之 间，依靠空气浮力升空、驻空，工作能源为太阳能电池或燃料电池，可进行机动巡航的浮空 飞行器;所述临近空间是指距离地平面20Km-100Km的空间。6. -种预警探测临近空间高超声速飞行器的方法，包括： 步骤一、针对指定的预警防御任务，根据高超声速飞行器的来袭方向、可能飞行轨迹， 划分飞艇放置的区域范围； 步骤二、根据所需防御的临近空间高超声速飞行器类型估算其在飞行过程中的红外辐 射强度，通过分析防御区域所处环境的大气透过率，确定红外探测器对高超声速飞行器的 最远探测距离； 步骤三、根据飞艇数量、红外探测器对高超声速飞行器的探测距离、防御区域覆盖率、 防御区域重叠率、资源利用率、飞艇间衔接距离等指标，利用优化算法确定飞艇红外探测系 统的组网部署方案； 步骤四、由红外探测器对临近空间高超声速飞行器的飞行状态进行探测，并将探测结 果发送给控制终端，由控制终端进行识别，以判断飞行器是否为可信飞行器，如果判断为不 可信飞行器则对其进行跟踪，同时调用防御系统对其进行拦截。7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤一中，所述高超声速飞行器的飞行速度 大于5Ma，飞行高度在20Km-100Km之间。8. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤四中，所述飞行状态包括飞行速度、飞行 方向、飞行路线、与地面所呈的角度以及飞行器大小、负载、隐身性能等。9. 如权利要求6-8之一所述的方法，其特征在于，所述飞艇间衔接距离为相邻飞艇间要 进行信息传递时需要限制的最远距离。
【文档编号】G01S17/88GK106019304SQ201610373100
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】张雅声, 杨虹, 李智, 李纪莲, 徐艳丽, 丁文哲, 徐灿, 汤亚峰, 姚红, 杨洋
【申请人】张雅声