反臨近空間高超聲速飛行器若干研究進展

趙良玉，雍恩米，王波蘭

(1. 北京理工大學宇航學院，北京 100081；2. 中國空氣動力研究與發(fā)展中心，綿陽 621000；3. 上海機電工程研究所，上海 201109)

0 引 言

臨近空間高超聲速飛行器是指在距地面20～100 km的臨近空間能夠以大于5Ma的速度做巡航或滑翔飛行的一類飛行器，按照其實現(xiàn)和維持高超聲速飛行的動力來源不同，主要可分為高超聲速巡航飛行器(Hypersonic cruise vehicle，HCV)和高超聲速滑翔飛行器(Hypersonic glide vehicle，HGV)兩類，前者通常采用超燃沖壓發(fā)動機作為動力源，而后者通常采用固體火箭發(fā)動機進行助推。由于臨近空間高超聲速飛行器通常具備響應迅速、航程遠、打擊范圍廣、毀傷威力大、打擊精度高、突防能力強等獨特優(yōu)勢，正逐漸成為世界軍事強國的空天競爭要地和高地，并不斷影響著大國沖突背景下的導彈防御策略和軍備控制策略[1]。

自2001年以來，美國已完成多次基于X-43A、X-51A、HTV-2 (Hypersonic technology vehicle 2)和AHW(Advanced hypersonic weapon)等平臺的臨近空間高超聲速飛行試驗[2]。2020年3月20日，美國成功進行了海、陸、空三軍通用型高超聲速滑翔體(Common-hypersonic glide body，C-HGB)的發(fā)射和飛行測試，為其在2025年前將戰(zhàn)術高超聲速武器投入現(xiàn)役奠定了基礎[3]。俄羅斯則在成功進行YU-71高超聲速助推滑翔導彈、“鋯石(Zircon)”高超聲速巡航導彈、“匕首(Kinzhal)”高超音速武器和“先鋒(Avangard)”高超聲速滑翔導彈的飛行實驗后，于2019年12月24日宣稱其是世界上唯一擁有高超聲速武器的國家。中國于2018年8月成功試射飛行速度達5.5Ma的“星空-2號(Xingkong-2或Starry Sky-2)”高超聲速滑翔飛行器后，在2019年10月1日舉行的慶祝中華人民共和國成立70周年閱兵式上，向全世界展示了“乘波體”外形的高超聲速飛行器DF-17，意味著我國已在此領域實現(xiàn)從跟跑到并跑甚至領跑的跨越。除了綜合實力處于領先地位的美國、俄羅斯和中國之外，包括澳大利亞、印度、日本、法國等在內的其他許多國家也在采用多種手段發(fā)展各自的臨近空間高超聲速飛行器技術[4]。正如2020年伊始美國人Richard Stone在《Science》上撰文指出的那樣：盡管存在夸張成分和技術障礙，但高超聲速軍備競賽正在加速(Despite hype and technological hurdles, a hypersonic arms race is accelerating)[5]。

作為一種可“改變戰(zhàn)爭規(guī)則”的穿透型“速度隱身”武器，臨近空間高超聲速飛行器甚至有望取代核武器成為新的常規(guī)快速全球打擊手段[6]，并將憑借其獨特優(yōu)勢降低全球戰(zhàn)略格局的穩(wěn)定性[7]，也必將對未來的國家空天安全形成重大威脅。高超聲速武器時代的來臨，使得各軍事強國在加速研制自有高超聲速飛行器的同時，也在大力研發(fā)應對這類飛行器的防御技術和攔截裝備。美國的研究報告曾指出，對高超聲速武器防御的最好措施是對等發(fā)展本國的高超聲速武器[8]，這從一個側面說明了反臨近空間高超聲飛行器之難，也同時說明了對反臨近空間高超聲飛行器相關技術的需求之迫切。為此，美國除了在研制增程型“薩德”(Extended range variant of the terminal high altitude area defense, THAAD-ER)攔截導彈之外，還在2018年7月啟動了名為“滑翔破壞者(Glide breaker)”的高超聲速武器防御項目，其反制對象就定位于俄羅斯“先鋒”和中國“星空-2號”等高超聲速滑翔飛行器[9]。俄羅斯除了即將列裝的新一代空天防御系統(tǒng)S-500之外，還計劃構建“防空反導一體化地空導彈武器系統(tǒng)”，以實現(xiàn)與空天進攻武器之間的體系對抗能力，甚至不惜再次拋出核威懾。

簡而言之，反臨近空間高超聲速飛行器面臨探測難、跟蹤難、預測難、攔截難“四難”問題[10]。針對上述“四難”問題和反高超聲速飛行器所涉及的諸多關鍵技術，國內外專家學者已經(jīng)取得了一些具有重要參考價值的研究成果。為了應對臨近空間高超聲速飛行器日趨武器化對國家空天安全造成的巨大挑戰(zhàn)，支撐我國反臨近空間高超聲速飛行器的基礎研究和工程研制，非常有必要對國內外在反臨近空間高超聲速飛行器相關領域，尤其是目標預警探測、軌跡跟蹤預測、制導控制方法、攔截攻擊策略等方面的最新研究進展進行梳理歸納，這些研究成果和研究方法同時對我國發(fā)展臨近空間高超聲速飛行器本身也具有十分重要的參考價值。需要指出的是，雖然洲際彈道導彈(Intercontinental ballistic missile，ICBM)在再入大氣層后的臨近空間區(qū)域也滿足高超聲速飛行的特點，但由于其基本沿著可預測的彈道軌跡進行飛行，機動能力和突防能力相對較弱，對其攔截方法和攻擊策略與臨近空間高超聲速飛行器相比存在較大差異，故本文不對反ICBM的相關技術進行過多描述。

1 臨近空間高超聲速飛行器任務剖面

《孫子·謀攻篇》言道“知己知彼，百戰(zhàn)不殆”。為有效防御和攔截臨近空間高超聲速飛行器，應首先了解其典型的飛行特性和作戰(zhàn)任務剖面。近十多年來，國內外專家學者持續(xù)緊密關注臨近空間高超聲速飛行器及其關鍵技術的發(fā)展情況，并不斷有相關的技術論文、綜述論文或學術專著出版[11-16]，限于篇幅在此不一一列舉。自2013年以來，北京海鷹科技情報研究所已連續(xù)7年發(fā)布世界高超聲速飛行器的年度研究總結或成果綜述[17]，為我國高超聲速飛行器及反高超聲速飛行器的技術發(fā)展和裝備研制提供了十分有價值的參考。綜合國內外臨近空間高超聲速飛行器的發(fā)展情況及相關專家學者知識，通常認為其主要特性如下：

1)飛行高度為20～100 km，巡航或滑翔飛行高度通常為20～60 km左右。

2)在臨近空間的巡航或滑翔速度大于5Ma，最大可超過25Ma。

3)航程遠，打擊范圍廣，理論上可以在1～2 h內攻擊全球任何地域。

4)機動過載能力為2～4。

5)雷達反射截面積為0.01～0.1 m2。

6)幾何尺寸為1～20 m。

7)受氣動外形約束，再入角度不太大。

一般情況下，高超聲速臨近空間飛行器采用助推-再入和助推(飛)-超燃兩種方式進入臨近空間，在臨近空間的巡航/滑翔飛行段則存在無動力的跳躍滑翔/擬平衡滑翔和有動力的巡航飛行兩種彈道形式，并在抵近目標區(qū)域后通過彈道快速下壓攻擊目標。本文以陸射型助推-再入式滑翔飛行器和助推-超燃式巡航導彈為例，給出二者典型作戰(zhàn)任務剖面如圖1所示，空射型和潛射型可根據(jù)發(fā)射平臺和發(fā)射方式同類推之。

圖1 臨近空間高超聲速飛行器任務剖面Fig.1 Mission profile of near space hypersonic vehicle

無論是助推-再入還是助推-超燃進入臨近空間的高超聲速飛行器，其助推段(含慣性段)均通常位于進攻方區(qū)域，防御方難以及時探測和攔截。下壓攻擊段的彈頭機動過載較大，攔截器的機動能力并無明顯優(yōu)勢，攔截剩余時間較短，攔截也相對困難[18]。而巡航/滑翔飛行段的持續(xù)時間較長，相對機動過載小，容易發(fā)現(xiàn)和跟蹤，如對于射程約10000 km的助推滑翔導彈來說，其滑翔段飛行時間約為3000 s，即便對于1000 km左右射程的高超聲速飛行器來說，其巡航/滑翔段飛行時間也通常超過480 s，是防御攔截的最有利時機，這也是目前國內外大部分相關領域專家學者的研究共識。

2 目標預警探測技術

只有盡早發(fā)現(xiàn)目標才能為防御系統(tǒng)留出足夠的響應和作戰(zhàn)時間，預警系統(tǒng)和攔截器本身對高超聲速目標及時準確的感知是實現(xiàn)臨近空間高超聲速飛行器防御和攔截的前提，也是首要解決的難題。飛行器高超聲速飛行時會在其表面產生等離子體鞘套，嚴重影響電磁波的正常傳輸，且飛行速度越高，電磁波受等離子體的吸收及散射越嚴重，越不利于常規(guī)雷達體制的敏感器探測。與此同時，粘性摩擦導致高超聲速飛行器蒙皮存在強烈的氣動加熱現(xiàn)象，使其成為一個明顯區(qū)別于工作環(huán)境的紅外輻射源，所以紅外傳感器或以紅外為主的多模傳感器成為預警系統(tǒng)和攔截器探測目標的主要敏感手段。此外，受地球曲率和大氣散射特性的影響，傳統(tǒng)防空反導系統(tǒng)的地基、?；涂栈A警體系通常難以達到防御臨近空間高超聲速目標所要求的600～800 km以上預警范圍，這大大地推動了天基和臨近空間紅外預警平臺的發(fā)展。

2.1 高超聲速目標的探測技術

針對高超聲速飛行器的等離子體尾跡對其電磁散射特性的影響，于哲峰等發(fā)現(xiàn)高超聲速飛行器的雷達散射截面積(Radar cross section，RCS)會出現(xiàn)由轉捩引起的突增現(xiàn)象，并指出等離子體尾跡的RCS遠大于高超聲速滑翔飛行器本體的RCS，可利用此特點通過超視距雷達實現(xiàn)目標探測[19]。許稼等[20]通過多維參數(shù)空間相參積累和能量聚焦，提高了常規(guī)和新體制雷達在目標檢測、機動跟蹤和特征提取等方面的性能。針對高超聲速目標對雷達回波產生的尺度效應、脈內多普勒效應和徙動效應，Niu等[21]提出了一種相干長時間積分算法，與全參數(shù)空間搜索算法相比有效降低了計算復雜度。

為了明確臨近空間高超聲速飛行器的紅外輻射特性，張海林等給出了X-51A在3～5 μm和8～14 μm波段上不同探測方向和不同工作狀態(tài)下的紅外輻射強度，指出在預警探測臨近空間高超聲速導彈時應選擇中波段為主[22]。張勝濤等[23]給出了典型乘波體臨近空間高超聲速飛行器在20 km高度以6Ma速度飛行時的3～5 μm中波紅外波段輻射特性，并指出其紅外輻射主要集中于上下表面強激波的波后空間區(qū)域，且下表面比上表面更強。何蘋等分析了X-51A在飛行速度為1.5～6.0Ma范圍內的紅外輻射特性，并指出后視探測的輻射源以尾噴管和尾焰為主，而前向和側向探測的輻射源以蒙皮和尾焰為主[24]。為彌補單一模式敏感器的不足，李炯等提出了雙色紅外、紅外/毫米波、紅外/激光成像等多種復合導引頭形式，并給出了總體優(yōu)化設計、多模信號轉換及融合、目標自動識別等若干關鍵技術的解決思路[25]。梁海燕[26]則指出反臨近空間高超聲速飛行器的導引頭應重點關注遠距離多波段目標探測、大范圍角度跟蹤、高幀頻大容量信息處理、高精度快響應伺服控制、氣動光學效應抑制等關鍵技術。

2.2 天基和臨近空間預警平臺

由靜止軌道、大橢圓高軌道和低軌道衛(wèi)星組成的天基預警平臺，因理論上具備覆蓋全球范圍的目標探測能力，成為美國、俄羅斯和中國等競相發(fā)展的新一代預警技術。美國已經(jīng)完成了國防支援計劃(Defense support program，DSP)系統(tǒng)和天基紅外系統(tǒng)(Space based infrareds system，SBIRS)的部分建設任務[27]，并在2018年啟動了下一代過頂持續(xù)紅外預警衛(wèi)星項目(Next generation overhead persistent infrared program，Next-Gen OPIR)，同時希望在2030年前將完整的高超聲速和彈道空間傳感器網(wǎng)絡(Hypersonic and ballistic tracking space sensor network)投入使用，用以探測和跟蹤高超聲速導彈等先進武器。俄羅斯則構建了與美國SBIRS功能類似的穹頂(Купол)太空反導預警系統(tǒng)，并于2015年將該系統(tǒng)首顆苔原(Kosmos)預警衛(wèi)星發(fā)射入軌，雖然目前僅有3顆苔原衛(wèi)星在軌服役，但在2019年就成功探測到了64枚彈道導彈和136枚運載火箭的發(fā)射。我國在2016年曾公開報道擁有“前哨”系列紅外預警衛(wèi)星，并于2017年成功發(fā)射天基紅外戰(zhàn)略導彈預警衛(wèi)星，從而在天基紅外預警衛(wèi)星領域與美國、俄羅斯形成三足鼎立之勢。

相較于天基紅外預警平臺，工作于臨近空間的高空氣球或平流層飛艇可以在有效工作范圍內獲得更準確更及時的探測信息，并可以達到長時間監(jiān)視重點區(qū)域的目的，也因此受到了各軍事強國的重點研究并逐漸進入實用。美國國家航空航天局、法國空間研究中心、日本宇航航空研究開發(fā)機構、歐洲航天局、中國科學院等單位均在研究用于臨近空間探測活動的高空氣球，其中美國在1997年就啟動了超長航時氣球(Ultra long duration balloon，ULDB)的研制計劃，設計飛行高度為35～38 km，目前已基本可以實現(xiàn)預期目標；中國科學院光電研究院研制的超壓氣球在2017年實現(xiàn)了高度為25 km的驗證飛行任務。楊虹等提出了通過部署在20 km高度的浮空飛艇組網(wǎng)對臨近空間高超聲速飛行器進行探測的方案，9艘飛艇即可實現(xiàn)對7000 km×7000 km正方形區(qū)域95%左右的覆蓋率[28]。美國國防部建造的大型高空飛艇(High altitude airship，HAA)可以對直徑為1200 km圓形區(qū)域進行搜索，空軍研究實驗室(Air force research laboratory，AFRL)負責實施的集成傳感器結構(Integrated sensor is structure，ISIS)飛艇探測距離達到600 km以上，在20～21 km的工作高度留空1年以上，可為臨近空間目標探測提供大量及時準確的數(shù)據(jù)。我國的中國科學院光電研究院、電子科技集團公司第三十八研究所、北京航空航天大學等單位也均在開展平流層飛艇的技術攻關和裝備研制，有力地支撐了我國平流層飛艇在世界軍事強國中的領先地位[29]。

3 軌跡跟蹤預測技術

對臨近空間高超聲速飛行器飛行軌跡的準確跟蹤和有效預測是實現(xiàn)攔截攻擊的基礎和難點，也是成果最為豐富的研究方向之一。一方面，臨近空間高超聲速飛行器通常采用高升阻比的氣動外形，飛行速度之快甚至超出了雷達數(shù)據(jù)處理波門，且會在其表面形成等離子體鞘套，導致難以連續(xù)捕獲，更難以實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定跟蹤。另一方面，臨近空間高超聲速飛行器還通常采用非慣性彈道，部分臨近空間飛行器甚至采用跳躍彈道。以高超聲速滑翔飛行器為例，除了橫向機動之外，縱向飛行主要包括錢學森彈道和桑格爾(Sanger)彈道兩種典型形式，前者表現(xiàn)為幾乎沒有波動的平坦滑翔彈道，故也稱為擬平衡滑翔彈道；后者則表現(xiàn)為波動幅度逐漸減小的跳躍滑翔彈道。對于以超燃沖壓發(fā)動機作為動力的高超聲速巡航飛行器來說，無疑將可以實現(xiàn)更為復雜的飛行軌跡，這進一步增加了目標追蹤和準確預測軌跡的難度[30]。

3.1 高超聲速目標的軌跡跟蹤技術

高超聲速目標的軌跡跟蹤必須以高超聲速飛行器的有效探測為基礎。如何建立符合臨近空間高超聲速飛行器運動特性的數(shù)學模型和如何通過有效的濾波跟蹤算法來自適應調整測量和狀態(tài)誤差，是實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤的關鍵問題。針對高超聲速目標在經(jīng)緯方向呈現(xiàn)高超聲速運動、在高度方向做滑翔跳躍的特點，張翔宇等提出了一種經(jīng)度-緯度-高度坐標系下的三維投影跟蹤算法，通過加速度突變檢測和補償實現(xiàn)了高機動頻率運動下的可靠跟蹤[31]。假設短時間內的目標航跡為直線，李林等[32]提出了一種基于時間-徑向距離量測數(shù)據(jù)Hough變換及速度和航向等多條件約束的檢測前跟蹤算法，實現(xiàn)了雜波環(huán)境下臨近空間高超聲速目標的檢測。郭相科等[33]采用多周期多模型估計方法實現(xiàn)模型集自適應，并采用最大熵模糊數(shù)據(jù)關聯(lián)思想處理雜波環(huán)境下的多傳感器航跡斷續(xù)、點跡關聯(lián)問題，提升了臨近空間高超聲速飛行器滑躍段跟蹤中的穩(wěn)定性。文獻[34]則通過Keystone變換和多普勒搜索進行距離走動及多普勒擴展補償，實現(xiàn)了高超聲速目標回波信號的長時間相參積累，為復雜背景下的運動目標檢測創(chuàng)造了條件。李凡等[35]通過將氣動加速度建模為具備周期性和衰減性的二階馬爾科夫過程，并引入強跟蹤濾波進行有無動力段轉換的誤差突變點補償，提出了一種高超聲速目標的跟蹤動力學模型。

交互多模型(Interactive multiple model, IMM)濾波方法不需要建立準確的目標運動學模型，而是采用多個模型的組合方式對目標的真實運動狀態(tài)進行逼近，是一類普遍認為比較適合跟蹤高超聲速高機動目標的濾波算法。司玉潔等[36]采用包含勻速模型(Constant velocity，CV)、勻加速模型(Constant acceleration，CA)和辛格模型(Singer)的三模型交互濾波器對高超聲速滑翔飛行器的無動力段飛行軌跡進行濾波估計，在位置和速度兩方面均表現(xiàn)出良好的跟蹤性能。葉澤浩等[37]通過在協(xié)方差矩陣更新中引入多重次穩(wěn)定因子提高平方根無跡卡爾曼濾波(Unscented kalman filter，UKF)的魯棒性，仿真顯示對臨近空間高超聲速飛行器跳躍滑翔軌跡和擬平衡滑翔軌跡的速度和位置均表現(xiàn)出了良好的跟蹤性能。邢清華等[38]從臨近空間高超聲速目標的運動特性、電磁特性和紅外特性出發(fā)，指出對于現(xiàn)有的天/海/地基傳感器來說，實現(xiàn)臨近空間高超聲速飛行器的精準探測和全程持續(xù)跟蹤極其困難，需要合理部署并調度多源異構傳感器，尤其需要解決存在多種不確定因素情況下的多傳感器頻繁交接問題。最近，何山等[39]通過對目標非線性量測信息的無偏轉換，提出了一種基于回顧成本輸入估計的無偏轉換量測卡爾曼濾波方法，實現(xiàn)了高超聲速再入滑翔目標的有效跟蹤。

3.2 高超聲速目標的軌跡預測技術

在飛行軌跡或彈道預測方面，目前國內外的研究重點主要包括基于彈道規(guī)劃設計的彈道預測方法、基于濾波理論的彈道預測方法和基于幾何理論的彈道預測方法等[40]。在擬平衡滑翔條件下，李廣華等[41]給出了高超聲滑翔飛行器高度、速度傾角和速度的數(shù)學模型，為彈道跟蹤和預測提供了參考。Gaiduchenko等[42]則提出通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡并利用測得的飛行軌跡信息來區(qū)分彈道導彈、高超聲速滑翔飛行器和高超聲速巡航導彈等高超聲速目標，但由于后兩者飛行軌跡相似，容易出現(xiàn)混淆。魏喜慶等[43]結合Singer模型提出了一種對高超聲速飛行器周期跳躍運動狀態(tài)進行估計的擴展卡爾曼濾波方法，取得了較好的跟蹤和預測精度。翟岱亮等[44]建立了采用氣動參數(shù)作為控制量的高超聲速飛行器運動模型，并設計了一種自適應IMM跟蹤方法，在給定的目標機動方式下，100 s的位置預測誤差小于5 km，速度預測誤差小于100 m/s，為高超聲速飛行器的中長期軌跡預測提供了理論基礎和方法指導。張博倫等[45]選取阻力、升力和側向力作為狀態(tài)變量，在飛行器攻角和側滑角變化幅度不劇烈的情況下通過三次多項式函數(shù)擬合側向機動模式，對高超聲速飛行器的機動彈道預報取得了較好的效果。

針對高超聲速滑翔飛行器飛行過程中難以回避的未知機動問題，張凱等[46]通過構造機動模式集提出了一種基于意圖推斷的貝葉斯軌跡預測方法，結合飛行意圖合理構造代價函數(shù)，在假定高超聲速滑翔飛行器攻擊目標已知的情況下，提高了目標機動不確定條件下的軌跡預測精度。針對軌跡預測在預警探測交接班和基于預測命中點攔截制導中的應用需求，韓春耀等[47]結合高超聲速飛行器滑翔段運動軌跡幾何特征明顯、轉彎半徑大、需要保持大升阻比的特點，提出了一種基于不變力預測法的中長期軌跡預測策略，但仍難以實現(xiàn)全程預測。

4 攔截器的制導控制方法

攔截器的制導控制方法同樣是反臨近空間高超聲速飛行器領域的研究熱點和難點之一。由于臨近空間高超聲速飛行器本身具有5Ma以上的飛行速度，現(xiàn)有防空反導武器在攻擊時很難形成速度上的優(yōu)勢，故關于攔截器導引方法的研究也大概分為兩個方向:(1)研究在攔截器處于速度劣勢的時候，如何通過非后向追擊目標的方式進行有效攻擊；(2)通過調整攔截器自下而上的傳統(tǒng)彈道形式，形成相對于高超聲速目標的速度優(yōu)勢，從而實現(xiàn)更廣泛的攻擊方式。

4.1 攔截器的先進制導律

在考慮攔截器處于速度上的劣勢時，熊俊輝等[48]發(fā)現(xiàn)迎擊和前向攔截兩種制導方式在合適的末制導初始條件下均可以實現(xiàn)理論上的交會，但迎擊攔截可能導致需用過載在交會末段過早地趨于發(fā)散。Zhu等[49]通過將線性滑動變量和快速冪次趨近律相結合，提出了攔截高超聲目標的末端順軌滑模導引律。在考慮輸入飽和的情況下，Si等[50]提出了攔截高超聲速目標的三維順軌滑模導引律，盡管可以保證滑模面有限時間穩(wěn)定和漸近穩(wěn)定，但卻無法應對未知邊界的外部擾動。針對現(xiàn)有防空導彈速度普遍低于高超聲速飛行器但機動性遠好于它的現(xiàn)實問題，于志鵬等[51]通過引入末角約束導航比來充分利用攔截彈的高過載承受能力并加快攔截器達到期望末視線角的速度。王華吉等[52]綜合考慮成功截獲和成功攔截條件，給出了采用比例導引律攔截助推滑翔目標時的中末制導交接班窗口，但其研究過程中忽略了空氣動力影響和目標機動，并假設攔截彈與目標處于同一縱向平面且前者攻角為0，為實際應用提出了嚴苛的約束條件。Ann等[53]考慮捷聯(lián)導引頭的視場及攔截彈飛行攻角和側滑角的控制約束，通過軌跡優(yōu)化得到了中末制導交班點，為提高直接碰撞殺傷高超聲速目標的概率創(chuàng)造了有利條件。

趙杰等[54]指出自上而下的探測方式有利于增加導引頭探測距離，建議攔截器中制導段采用高拋再入式彈道。為實現(xiàn)自上而下的探測和打擊方式并有效提高射程和末段速度，李寧波等[55]采用彈道與制導律獨立設計的思路，為臨近空間攔截器設計了一種先垂直上升然后轉彎滑翔的高拋再入彈道。張大元等[56]指出采用高拋再入形式的彈道還可有效降低氣動熱效應影響。為了緩解視線角速率微分對高超聲速機動目標比較敏感的問題，Chen等[57]基于非線性跟蹤微分器提出了一種分數(shù)階微積分制導律，在不同的目標機動和噪聲情況下表現(xiàn)出較小的脫靶量和較強的魯棒性。周聰?shù)萚58]通過將臨近空間高超聲速滑翔目標機動軌跡近似為圓弧，提出了一種在飛行全程中合理分配需用過載且滿足可用過載和終端交會角約束的變系數(shù)顯式攔截中制導方法。

為確保對目標的有效攔截，尤其為了應對臨近空間高超聲速飛行器協(xié)同攻擊的發(fā)展?jié)摿59]，趙啟倫等[60]設計了一種具有領彈-從彈拓撲結構的異類導彈協(xié)同攔截策略，配備高性能導引頭的領彈負責探測高超聲速目標運動信息，未配備導引頭的從彈則利用通信網(wǎng)絡接收領彈信息，并和領彈組成異類導彈攻擊網(wǎng)絡，與高超聲速目標形成“多對一”的攔截態(tài)勢。易芳則提出了一種采用多個攔截器分時發(fā)射、分時攔截的方案，并對該攔截方案的工作時序、加速度跟蹤模型、多攔截器的信息傳遞方法等進行了研究和仿真校驗[61]。

4.2 攔截器先進控制方法

在攔截器姿態(tài)控制技術方面，由于其本身通常仍然是一類高超聲速飛行器，同樣具備強耦合、強非線性、強時變、強干擾的動力學特征，同樣需要面對跨空域、大飛行包線、多執(zhí)行機構、熱流受限、不確定性等多種難題，國內外諸多專家學者已經(jīng)就此類飛行器的高品質姿態(tài)控制問題進行了較為詳細的論述[62]，本文不再贅述。但需要指出的是，由于在臨近空間工作的攔截器動力學響應較慢，如在低空具備0.3 s左右響應能力的導彈在中高空則需要0.7～1.8 s左右，且臨近空間空氣密度較低，無法產生足夠的升力和機動過載能力，有必要采用直接力(Direct force flight control，DFC)[63]或質量矩[64]等其他執(zhí)行機構來改善臨近空間攔截器的控制響應時間和可用過載[65]。同時，為了降低導引和控制兩個回路之間延遲及時間尺度不一致的影響，還可以對反臨近空間高超聲速飛行器的攔截器進行制導控制一體化設計[66]。

5 攔截攻擊策略

攔截策略和攻擊方式是防御和攔截臨近空間高超聲速飛行器的工作終端，在整個作戰(zhàn)任務流程中起著決定成敗的作用。目前國內外研究人員關注比較多的攔截攻擊方式主要分為兩類:(1)傳統(tǒng)防空反導系統(tǒng)的物理殺傷模式，但發(fā)射陣地已不再局限于傳統(tǒng)的地基和海基平臺，而是逐漸擴展至空基、天基甚至是臨近空間平臺；(2)采用以高能激光和高功率微波為主的新型定向能武器進行非接觸殺傷，發(fā)射陣地也同樣包括地基、?；?、空基、天基和臨近空間等平臺。

5.1 物理攻擊策略

針對臨近空間高超聲速導彈的地基攔截策略，張海林等從攔截時間、攔截空間以及攔截物質三個方面建立了定量的可行性數(shù)學模型，并根據(jù)實際情況進行了定性分析[67]。Peace等[68]從巡航階段直接碰撞殺傷高超聲速飛行器的角度，采用多學科優(yōu)化方法設計了一種攔截器，可以防御在36～43 km以12～15Ma飛行的高超聲速滑翔飛行器。許惠麗等[69]建議借鑒美國以空基反導為突破口的理念，并通過低成本設計方案開展演示驗證。針對空基反高超聲武器缺乏清晰目標裝備和成熟作戰(zhàn)模式的問題，肖吉陽等[70]建立了空基反高超聲速武器的頂層作戰(zhàn)概念和作戰(zhàn)規(guī)則模型，隨后在充分利用自主協(xié)同決策、網(wǎng)絡化瞄準、信息超視距傳輸?shù)燃耗芰Φ幕A上，提出了一種可分散部署以控制廣域空間的無人機群反高超聲速目標的策略[71]。

Guo等[72]指出再入式動能攔截器可滿足遠程攔截臨近空間高超聲速目標的要求，并可為動能攔截器的紅外導引頭提供比較好的工作環(huán)境。文獻[73]提出一種使用高超聲速再入飛行器進行攔截臨近空間高速機動目標的策略，實現(xiàn)了“由上打下”、“發(fā)現(xiàn)即攔截”和“跟蹤打擊”的探測打擊一體化效果。趙良玉等[74]提出了一種基于天基平臺反臨近空間高超聲速飛行器的快速響應策略，可通過具備快速響應能力的分布式天基武器平臺由上而下攻擊臨近空間目標。戴靜等[75]提出了一種通過臨近空間平臺攻擊臨近空間高超聲速飛行器的方案，當防御系統(tǒng)探測到目標后，由截擊機快速搭載攔截器至30 km左右的臨近空間，采用固體火箭發(fā)動機發(fā)射并從前向撞擊目標。

5.2 非接觸攻擊策略

針對現(xiàn)有防空反導體系在跟蹤、制導及機動性等方面的不足，于濱等提出了一種采用激光技術攔截高超聲速武器的設想，并對該設想涉及的關鍵技術和實現(xiàn)途徑進行了論證[76]。美軍提出通過配屬150 kw級高能激光武器的無人機進行空中巡邏，并打擊來襲彈道導彈或高超聲速滑翔導彈的防御方案。由于高功率微波武器可利用電磁能破壞或干擾飛行器傳感器、制導系統(tǒng)或其他電子系統(tǒng)，美國、俄羅斯、中國等國家正不斷發(fā)展此類武器，并將其作為對付敵方高超聲速巡航導彈、無人機蜂群或其他威脅的一種候選手段[77]。文獻[78]提出通過干擾、入侵高超聲速飛行器的通信或導航信號，進而篡改航跡、落地任務指令或干擾衛(wèi)星導航信息，使其偏離預定航跡從而達到無損防御方的目的，盡管在有效時間內突破敵方通信導航網(wǎng)絡中的安全防護并成功引導至預設區(qū)域是一大難題，但仍不失為一種防御臨近空間高超聲速飛行器的候選方式。

6 存在的問題及未來發(fā)展思考

1)由于存在地基預警系統(tǒng)受地球曲率影響探測距離有限、空基預警系統(tǒng)長時間監(jiān)測能力不足、天基紅外預警衛(wèi)星系統(tǒng)尚未形成全球覆蓋能力等問題，面對盡早預警高超聲速臨近空間飛行器的迫切需求，除了進一步完善現(xiàn)有防空反導預警系統(tǒng)尤其是天基紅外預警系統(tǒng)、發(fā)展高空氣球和平流層飛艇等新型預警探測系統(tǒng)之外，還應注意將天基、地基、空基、?；团R近空間等多種區(qū)域的探測設備進行組網(wǎng)探測，實現(xiàn)空天一體化的協(xié)同預警探測系統(tǒng)，并注意在全球探測力量尚有限的前提下，根據(jù)主要威脅國家臨近空間高超聲速武器的部署情況，針對重點方向、重點目標增強探測密度，提高及早發(fā)現(xiàn)目標的概率。

2)對于預警系統(tǒng)和攔截器自身的目標敏感問題，目前國內外研究人員普遍認為應以紅外探測體制為主，故應進一步明確典型高超聲速飛行器尤其是未來可武器化的高超聲速飛行器的目標特性，特別是其飛行全過程的紅外輻射特性?？紤]到攔截器也通常處于高超聲速飛行狀態(tài)，故應重點解決其所采用紅外導引頭的環(huán)境適應性問題，如高超聲速熱防護、圖像信息快速處理、大機動下目標自主識別等瓶頸技術。同時，發(fā)展紅外與激光或紅外與毫米波等復合體制的多模導引頭，突破一體化集成設計、遠距離精準敏感、多源信息智能融合、快速準確識別等關鍵技術。

3)目前國內外在軌跡跟蹤和預測這兩個方向的研究成果均是基于一定程度的簡化和假設，即通常假設一種運動模型用于軌跡跟蹤，給定幾種機動模式用于軌跡預測，對于跟蹤和預測性能的評估也均是基于預設模型的數(shù)學仿真，尚缺乏有效的實驗驗證進行支撐。同時，一個無法回避的事實是，無論如何精準地跟蹤和預測軌跡，都無法事先準確獲取敵對高超聲目標的長期機動行為，也就無法在強對抗、強博弈的作戰(zhàn)環(huán)境中準確預測其真正的攻擊點，導致防御方攔截器本就有限的可用響應時間更加捉襟見肘。為此，可根據(jù)預警探測系統(tǒng)早期獲得的高超聲速目標位置和飛行速度等信息，通過參數(shù)辨識以及考慮飛行路徑及控制變量約束，得到由臨近空間高超聲速飛行器極限彈道落點構成的地球表面區(qū)域，即建立該高超聲飛行器的可攻擊區(qū)，然后根據(jù)攔截器的攻擊范圍，規(guī)劃發(fā)射多枚攔截器對可攻擊區(qū)形成全域覆蓋式的協(xié)同防御態(tài)勢，以應對臨近空間高超聲速飛行器的未知機動特性。

4)面對現(xiàn)有防空反導武器不足以形成速度優(yōu)勢的現(xiàn)實，宜在綜合考慮預警探測能力、攔截器感知能力、工作環(huán)境復雜不確定、直接撞擊殺傷等多重約束和需求條件下，更深入地研究存在速度劣勢下的攔截器導引方法，進一步降低制導律對攔截器機動能力的需求、降低制導律對攔截器執(zhí)行機構響應速度的需求、提高制導律對不確定工作環(huán)境及不確定目標機動的魯棒性，同時從陣地部署、作戰(zhàn)應用、能力需求等多方面積極探索多攔截器協(xié)同防御臨近空間高超聲速飛行器的解決方案。在高性能攔截器的高品質姿態(tài)控制方面，采用氣動力和直接力等復合的先進執(zhí)行機構已逐漸成為共識，但面對強時變、強非線性的被控對象和強不確定性的臨近空間作戰(zhàn)環(huán)境，需要更深入研究控制方法的魯棒自適應策略、復合執(zhí)行機構的智能調度和分配、制導控制一體化設計等基礎問題，同時進一步發(fā)展響應更迅速、能耗更經(jīng)濟的新型控制方法和新型執(zhí)行機構。

5)定向能武器、天基武器等有潛力的攔截高超聲速臨近空間飛行器的新概念武器仍處于理論探索階段，很難在短期內形成現(xiàn)實的防御能力。因此，對現(xiàn)役地基防空導彈和空空導彈進行改進升級仍將是未來一段時間內的重要發(fā)展方向，為此需要進一步提升防空反導系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力、提升作戰(zhàn)單元的有效作戰(zhàn)半徑及機動能力、拓展防空反導系統(tǒng)的多平臺適應范圍、壓縮從態(tài)勢評估到指揮決策的作戰(zhàn)響應時間。同時，結合不斷發(fā)展的信息和能源技術，在高能激光、高功率微波定向能武器的基礎上，探索新的攔截攻擊方式，如電磁炮彈、假目標誘騙及導航信號劫持等。

除了重點研究預警探測、跟蹤預測、制導控制和攔截攻擊等關鍵技術之外，要做到有效攔截臨近空間高超聲速飛行器，全殺傷鏈涉及的其他內容如防御體系建設、攔截裝備研制、智能指揮控制和閉環(huán)戰(zhàn)損評估等方面也值得關注和深入研究。

7 結束語

臨近空間高超聲速飛行器正隨著相關技術的不斷發(fā)展成熟而逐步走向戰(zhàn)場，國家空天安全將面臨新的重大威脅，迫切需要發(fā)展有效的防御和攔截技術并研制自主可信的反制裝備。針對反臨近空間高超聲速飛行器面臨的探測難、跟蹤難、預測難、攔截難“四難”問題，本文在介紹臨近空間高超聲速目標飛行特性和典型任務剖面的基礎上，綜述了目標預警探測、軌跡跟蹤預測、制導控制方法、攔截攻擊策略等四個方面的國內外若干研究進展。從目前的研究現(xiàn)狀看，國外關于反臨近空間高超聲速飛行器的研究成果相對較少，但這絕不意味著國外沒有積極開展相關技術的研究，這從為數(shù)不多公開發(fā)布的美國軍方報告和政府咨詢報告里仍然可一窺端倪。國內學者的研究成果較多，且研究范圍較廣，覆蓋從預警探測、軌跡預測到制導控制、攔截攻擊和殺傷評估等的全殺傷鏈技術，但公開報道的國內外研究成果均以定性分析和虛擬目標的數(shù)學仿真為主，尚缺乏有效的實驗驗證。

盡管中國已陸續(xù)啟動了多個有關反臨近空間高超聲飛行器的基礎研究和重大工程項目，但存在的基礎理論和工程技術難題仍然很多。相關研究人員如果能夠抓住這個機遇與挑戰(zhàn)并存的歷史時刻，面向國家重大需求和世界科技發(fā)展前沿，扎實解決基礎理論難題的同時注重解決工程實踐問題，無疑具有十分重要的戰(zhàn)略意義和前瞻價值。綜合國內外近年來的研究進展和臨近空間高超聲速飛行器的發(fā)展趨勢，建議未來從天/臨/空/地/海體系預警、紅外多模復合敏感、可攻擊區(qū)軌跡預測、直/氣復合等先進控制、協(xié)同攔截防御等五個方面給予重點關注，同時關注體系建設、裝備研制、指揮控制和戰(zhàn)損評估等具體實施方面的關鍵技術問題。