《机载主动防御中的多约束制导与优化》系统深入地论述机载主动防御中的多约束制导与优化原理、模型、理论及仿真验证。《机载主动防御中的多约束制导与优化》共7章，*先概述飞机主动防御技术的新进展，引出基于防御弹的主动防御技术路线中的关键技术，即防御弹的气动外形高效优化技术和多约束制导技术；建立基于数据驱动的高效气动优化框架，设计机器学习技术在气动优化领域的运用方法；建立基于计算几何的多约束轨迹规划模型，研究多约束飞行条件与参数化轨迹的映射机理。针对传统气动优化方法难以兼顾计算效率和全局寻优性能的问题，提出基于深度强化学习和迁移学习的气动优化方法，并通过仿真验证相关技术；针对传统制导律难以拦截高速高机动来袭弹的问题，提出基于可达集分析的协同拦截制导方法，并通过仿真验证相关技术。《机载主动防御中的多约束制导与优化》突出前沿学科交叉和工程应用背景，力求使广大读者快速掌握和应用机载主动防御中的制导与优化理论、方法和技术。

第1章机载导弹防御中的气动优化与制导问题综述
　　1.1研究背景
　　机载导弹防御系统可通过发射防御弹毁伤来袭对空导弹，显著提升飞机防护能力。然而，随着多模复合导引头、惯性滤波、图像识别等技术的发展，先进空空导弹的抗干扰能力和机动能力越来越强，红外诱饵、电磁干扰以及自身机动摆脱等传统机载防御方法愈发难以奏效，难以满足现代及未来空战中飞机的防护需求。同时，由于先进空空导弹的机动能力得到大幅提升，飞机通过机动躲避攻击的概率较低，其飞行安全得不到有效保障。传统的被动式防御战术已难以适应新形势下的空中作战需求，不足以为载机提供有效的安全保障，在未来战争中无法有效地抵御新一代作战平台和空中作战武器的威胁。因此，飞机的防御能力亟待提升，迫切需要将主动防御技术引入飞机平台，设计机载主动防御系统，对来袭导弹实施主动拦截，从而为飞机提供更加强大的防御能力（图1.1）。
　　图1.1机载主动防御和传统防御对比
　　在此背景下，主动防御手段应运而生［1］，其通过发射防御弹主动毁伤来袭弹，实现以攻为守的效果，为飞机提供坚实的空中屏障。机载主动防御技术就是将目前已经应用于水面舰艇、坦克装甲车辆和地面设施等非空领域的主动防御概念引入军用航空领域，为飞行器配装一套与舰载近程防御武器系统（close-in weapon system，CIWS）和坦克装甲车辆主动防护系统（active protection system，APS）类似的机载主动防御系统，通过发射小型拦截弹对敌方的空空导弹、地空导弹等进攻武器进行主动拦截，从而保障飞机自身安全。机载主动防御技术能够有效提升预警机、运输机和战斗机等飞行器的战场生存和突防能力，将成为新一代军用飞机的核心能力，对未来空战产生重大影响，甚至改变空战战术规则。
　　综上所述，机载主动防御技术具有重大的意义和价值。然而，机载主动防御系统需要具备小型化、高密度、快响应等特点，这对全系统集成和制导控制系统设计提出了挑战，在微小型防御弹集成设计、机载雷达系统设计、多弹协同制导方法设计等方面存在很多技术瓶颈，亟须深入研究。
　　1.2发展历程
　　20世纪70年代就有研究人员提出主动防御的概念，并应用于舰载平台［2］148534218。早期的水面舰艇主要通过装备的火炮进行自卫，在近距离对抗中具有一定的防御能力。随着反舰导弹作为一种全新的海战武器登上战争舞台，水面舰艇所面临的威胁急剧提升，因此干扰机、干扰弹等针对反舰导弹的软杀伤手段在水面舰艇平台上被广泛采用。然而随着电子技术的发展，反舰导弹的抗干扰能力和机动性能越来越强，仅仅依靠软杀伤手段越来越难以满足舰艇防护的需求。作为应对，为水面舰载装配硬杀伤自防护设备的主动防御技术得到快速发展，用以拦截在软杀伤阶段突防的反舰导弹。目前各军事大国的水面舰艇已普遍配备了近距离防御武器，具有代表性的如美国的MK-15密集阵近程防御武器系统（Phalanx Close-In Weapon System）、俄罗斯的AK-630系统、荷兰的SGE-30守门员近程防御武器系统（Goalkeeper Close-In Weapon System）等。这些系统普遍具有反应时间短、发射速度快、射击精度高、持续作战能力强等特点，可以有效提升水面舰艇的反导自卫能力。
　　此外，在坦克等装甲车平台上，主动防御系统也得到了发展和应用［3］148533833。坦克装甲车自投入战争以来，相关防御技术长期基于“被动防护”理念进行发展，例如通过加大装甲厚度、改进装甲材料、改变装甲内部结构等方式来提高坦克的防护能力。随着20世纪50年代初世界*批反坦克导弹的入役，坦克装甲车又采用装配干扰机、发射干扰弹等软杀伤手段来进行反制，但随着反坦克导弹技术的发展，这些软杀伤手段的局限性也愈发明显，难以满足坦克防护的需要。为此，以硬杀伤手段来拦截敌方发射的火箭弹、导弹甚至穿甲弹的主动防御技术引起了各国的高度重视，目前具有代表性的坦克装甲车辆主动防护系统包括俄罗斯的“鸫”（Drozd）式与“竞技场”（Arena）系统、美国的“快杀”（Quick Kill）、以色列的“铁拳”（Iron Fist）与“战利品”（Trophy）等（图1.2）。
　　图1.2非空中平台主动防御系统
　　与其他作战平台类似，飞行器在其早期发展中主要依赖于机动回避和装甲保护等策略来进行防御。在过去的一个世纪，随着对空武器性能的不断提高，飞行器的防护手段也在不断改进和完善，通过深入对比分析发现，尽管这些防护方法在形式上各不相同，但都以躲避、干扰、诱导甚至承受敌方打击为出发点，在本质上均未脱离消极被动防护的范畴。因此，正如本节所述的舰载平台、坦克平台一样，以消极被动手段对付来袭弹时所遇到的种种困难对飞行器来说也同样难以避免。在今后，随着对空武器技术的不断发展，继续沿着被动防护思路来发展军机防护技术，不仅面临的难度越来越高，付出的代价越来越大，而且效果也往往难以满足防护需求。
　　随着探测、制导等技术的发展，主动防御系统在机载平台上的应用已经具备了可行性。例如，2015年5月19日在佛罗里达州举行的特种作战部队产业大会（SOFIC 2015）现场，世界上**种可以装备在直升机上的主动防御系统（helicopter active protection system，HAPS）亮相。Orbital ATK公司的直升机主动防御系统主要用来拦截火箭弹和先进单兵便携式防空导弹（图1.3）。该系统可识别一个来袭威胁，发射并制导一枚拦截器飞抵某个精确位置，引爆战斗部使来袭导弹失效。该公司已经成功进行了实弹对模拟目标的拦截演示实验，证明了直升机机载主动防御系统的有效性和可行性［4］。
　　图1.3直升机主动防御系统（美国Orbital ATK公司）
　　固定翼飞机平台上的主动防御系统研制还处于原理探索阶段，美国作为飞机自卫反导系统开发能力*强的国家之一，在主动防御系统方面的探索已经走在了世界前列。为了提升战斗机主动防御能力和作战效能，美国空军陆续开展了空空导弹小型化的研究。2016年，洛克希德 马丁公司和雷神公司在美国空军研究实验室的支持下分别开展了“小型先进能力导弹”（small advanced capability missile，SACM）和“微型自卫弹药”（miniature self-defence munition，MSDM）的研究:SACM着重于现有空空导弹的小型化；MSDM着重于拦截对方空空导弹，期望研发小型化低成本的导弹来完成空中主动防御任务。2017年，诺斯罗普 格鲁曼公司针对隐身飞机提出了一种机载弹出式动能杀伤导弹防御系统并已申请专利［5］。从目前公布的资料可以得知，*近几年美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）已与洛克希德 马丁公司、雷神公司和波音公司签订了合同，针对主动防御相关概念和子系统开展研究工作。
　　除采用拦截弹进行主动防御外，基于激光武器的主动防御系统也得到了发展。2015年12月，洛克希德 马丁公司宣布研发可用于F-35战斗机的激光武器系统，该武器系统基于光纤激光器技术，计划使用激光对空中目标进行拦截。然而，目前洛克希德 马丁公司开发的光纤激光器功率只能达到60kW且质量在10t以上，而为有效摧毁目标，功率需在100kW以上。若想将该技术应用于F-35这样的战斗机平台，在能量供应、功率提升、轻小型化设计以及激光精确瞄准等方面还将面临巨大的技术挑战，因此短期内该技术很难实用化。此外，通过采用全反射面、抗烧蚀层、高速旋转表面等技术，对方导弹可以对激光进行有效防御，因此即使相关技术难点被攻克，机载激光主动防御系统的拦截杀伤想达到理想效果依然困难重重。
　　在2016年美军披露的第六代战斗机AII-X演示验证机项目中(图1.4)，美军航空航天专项办公室已初步识别出了第六代战斗机的几项关键技术：主被动防御技术、图1.4美军第六代战斗机AII-X
　　升级的隐身技术、先进的组网技术、可靠的导航技术、电子战技术。可以看到除**条“主被动防御技术”外，其余皆为现有第五代战斗机技术的升级。除了美国外，2011年以色列RAFAEL武器公司下属的MANOR技术分部在国防部国防研究发展局（Defense Research and Development Directorate，DRDD）的支持下开 发一种名为“Fliker”的可用于直升机的主动防护系统，它可对来袭的火箭推进榴弹（rocket-propelled grenade，RPG）和便携式防空导弹（man portable air-defense system，MANPADS）进行拦截，从而保护直升机免遭毁伤。2011年9月，Fliker在RAFAEL公司进行的可行性测试中拦截来袭RPG（图1.5），2015年后在以色列空军 “黑鹰”直升机上完成实机测试， 2023年在巴以冲突中*次实战应用。欧洲MDBA公司也推出了一种“硬杀伤防御辅助系统”（hard-kill defense assist system，HKDAS）的机载主动防御系统方案（图1.6），用于装备现役和今后的各种战斗机甚至加油机、预警机等大飞机，2024年在A400M运输机上测试，成功拦截模拟的便携式防空导弹，验证对低慢小目标的低成本拦截。由此可见，机载主动防御技术已经被确定为下一代战斗机*为关键的技术，也是其相对于现有战斗机能够形成跨代优势的有力保证。
　　图1.5Fliker在实弹测试中成功拦截来袭RPG
　　图1.6欧洲硬杀伤防御辅助系统外形设计图
　　综合各国在陆上、水面和空中作战平台的防御技术演进，可以观察并总结出以下趋势：在应对早期威胁时，各种作战平台主要采用躲避、干扰和装甲防护等被动防御手段以降低威胁，随着电子技术的发展，来袭弹的技术方案不断进步，作战平台的防御手段也需持续演进和完善。这一演进大体上可以概括为从软杀伤到硬杀伤的过渡，从被动防御向主动防御的转变，*终实现多手段、多层次的综合防护的发展历程。总的来说，目前国外对机载主动防御系统的研究才刚刚开始，而在国内该研究尚属空白。机载主动防御系统带来的巨大空中优势将显著提升空中作战能力，开展相关技术的探索研究，具有重大的意义和价值。
　　1.3需求分析
　　就世界范围来看，对机载主动防御系统的研究目前仍处于前期原理探索阶段，虽然在坦克、舰载等非空中平台具有一些成熟的应用和实验验证，但是至今仍无法实现在机载平台上的成熟应用，仅在直升机主动防御领域取得了初步的成果。随着当今机载设备的逐渐小型化，主动防御技术在飞机上取得实际应用也成为一个必然趋势。我国不仅需要发展类似的直升机主动防御系统，更有必要研制一款性能更高、拦截范围更大、可以在高速固定翼飞机上使用的机载主动防御系统。在主动防御手段方面，相比基于激光武器的防御模式，采用基于动能/破片杀伤原理的小型拦截弹实施防御，其技术难度在现阶段小于前者，且对方导弹难以采用技术手段避免由拦截弹产生的毁伤效果，在技术可行性和作战效能上具有较大优势。如能将空中主动防御技术成功应用，不仅会对现代空战模式产生颠覆性的改变，也会极大程度地提升预警机、运输机甚至客机等缺乏自卫能力的高价值飞机的防护能力。
　　未来，机载主动防御系统的轻小型化将使其能够被装备到战斗机上。一旦战斗机搭载这一系统，将颠覆传统的空中作战模式，战斗机将不再受限于当前的探测和武器系统，甚至在遭受锁定时也能够依赖主动防御系统的支持，对敌机进行同步的锁定和打击，从而显著提升己方的空中作战能力（图1.7）。
　　图1.7战斗机机载主动防御系统布局概念图
　　机载主动防御技术的难点源于来袭导弹的高速、高机动性。一般导弹制导律的研究是基于高性能拦截弹的，在制导过程中，制导导弹具有显著的速度、机动优势，传统的比例导引

目录
“飞行控制前沿技术丛书”序
前言
第1章 机载导弹防御中的气动优化与制导问题综述 1
1.1 研究背景 1
1.2 发展历程 2
1.3 需求分析 6
1.4 飞行器气动外形优化方法研究现状 8
1.5 高速高机动目标拦截制导方法研究现状 11
1.5.1 带终端角度和飞行时间约束的制导律研究现状 11
1.5.2 高机动目标的拦截制导研究现状 14
1.6 本书主要研究内容与结构安排 15
1.6.1 主要研究内容 15
1.6.2 结构安排 17
参考文献 18
第2章 基于遗传算法和数据挖掘的气动外形优化 25
2.1 概述 25
2.2 预备知识 26
2.2.1 气动估算软件Datcom 27
2.2.2 聚类分析 29
2.2.3 决策树 31
2.2.4 帕累托相关概念 33
2.2.5 遗传算法 35
2.3 导弹气动外形参数设计 36
2.4 数据挖掘与知识提取 38
2.4.1 样本数据生成 38
2.4.2 聚类分析 40
2.4.3 决策树与Pareto分析 42
2.5 基于知识转移的改进遗传算法 42
2.5.1 知识实现 42
2.5.2 改进的进化框架 43
2.6 仿真结果与分析 45
2.6.1 实验设置 45
2.6.2 仿真结果 47
2.7 小结 49
参考文献 51
第3章 基于强化学习和迁移学习的气动外形优化 54
3.1 概述 54
3.2 导弹气动外形优化 55
3.2.1 导弹的气动外形 55
3.2.2 强化学习与迁移学习 57
3.2.3 气动设计优化方法 59
3.3 问题陈述 61
3.4 优化架构设计 64
3.5 强化学习与知识提取 66
3.6 基于强化学习和迁移学习的优化方法 67
3.6.1 训练方法 67
3.6.2 通过迁移学习加速优化 69
3.7 仿真结果与分析 72
3.7.1 数值实验 72
3.7.2 结果和讨论 74
3.8 小结 79
参考文献 80
第4章 时变速度下的多约束中制导编队 83
4.1 概述 83
4.2 二维中制导问题构造 84
4.3 多约束轨迹设计 87
4.3.1 轨迹生成 87
4.3.2 轨迹*率分析 90
4.3.3 到达时间分析 93
4.4 制导律设计 95
4.5 多场景运用方法 98
4.5.1 单枚导弹制导 98
4.5.2 同一地点顺序发射的多弹协同制导 98
4.5.3 不同地点同时发射的导弹协同制导 99
4.6 仿真结果与分析 100
4.6.1 仿真参数设定 100
4.6.2 案例1:定常速度下的单枚导弹制导 101
4.6.3 案例2:非定常速度下的单枚导弹制导 102
4.6.4 案例3:非定常速度下的多弹协同编队 104
4.7 小结 106
参考文献 106
第5章 基于计算几何的多约束中制导编队 109
5.1 概述 109
5.2 预备知识 111
5.2.1 Frenet 标架 111
5.2.2 优美对数空间*线 111
5.3 攻击时间与攻击角度约束分析 113
5.4 轨迹生成及制导律设计 114
5.4.1 轨迹设计需求分析 114
5.4.2 轨迹生成 115
5.4.3 轨迹*率分析 119
5.4.4 到达时间分析 120
5.4.5 制导律设计 122
5.5 仿真结果与分析 124
5.5.1 单枚导弹制导飞行 124
5.5.2 同一地点顺序发射的多弹协同 124
5.5.3 不同地点同时发射的多弹协同 125
5.5.4 仿真实验和结果分析 126
5.6 小结 131
参考文献 131
第6章 拦截高速高机动目标的未制导协同策略 133
6.1 概述 133
6.2 可达集分析 137
6.2.1 多对一拦截问题构造 137
6.2.2 可达集 138
6.2.3 等时间线 140
6.3 初始态势与协同策略设计 142
6.3.1 零控脱靶量拦截的必要条件 142
6.3.2 改进的零控脱靶量拦截必要条件 144
6.3.3 基于可达性的协同拦截策略 145
6.4 仿真结果与分析 150
6.4.1 仿真参数设定 150
6.4.2 拦截常值机动目标 151
6.4.3 拦截随机阶跃机动目标 157
6.4.4 拦截弹群的拓展 159
6.4.5 对弹群个体性能差异的适应性 161
6.5 小结 163
参考文献 164
第7章 机械导弹防御中的发射规划与全过程仿真 166
7.1 概述 166
7.2 六自由度仿真系统建模 166
7.2.1 大气模型 166
7.2.2 发动机模型 170
7.2.3 飞行器运动六自由度模型 173
7.2.4 导引头测量模型 176
7.2.5 飞行控制系统模型 177
7.3 衔接中未制导的发射数量与时间规划 177
7.3.1 拦截规划 177
7.3.2 拦截弹的中未制导 183
7.4 仿真结果与分析 184
7.4.1 仿真参数设置 184
7.4.2 拦截常值机动的来袭弹 185
7.4.3 拦截随机阶跃机动的来袭弹 195
7.5 小结 197
参考文献 198