天基预警系统是战略预警系统的重要组成部分,基于单颗预警卫星观测的弹道导弹预警是天基预警系统发展的必经历程和重要组成部分,单颗预警卫星观测条件下的弹道导弹参数估计是天基预警系统需要解决的关键问题。单星弹道导弹参数估计的传统方法基于标准弹道模板先验信息的支持,但标准弹道模板先验信息获取困难,从而限制了此类方法的应用。本文在单颗预警卫星观测条件下,通过对弹道导弹参数估计问题的深入研究,突破传统算法严重依赖于标准弹道模板先验信息的局限,建立了基于单颗预警卫星观测弹道导弹参数估计的系列核心算法,较为系统的回答了在单颗预警卫星观测下,何种前提条件可以得到何种预警信息的问题。本文首先建立了基于动力特征的单星弹道导弹参数估计算法,并重点研究了基于试验靶场飞行管道的动力特征提取与修正算法,基于该系列方法可逐步建立包含动力特征的先验信息库用于单星预警。基于动力特征的单星弹道导弹参数估计以弹道导弹的平面特性和弹道切割模型为基础,利用动力特征先验信息进行弹道导弹参数估计。动力特征提取与修正算法以试验靶场飞行管道信息为约束条件,基于单颗预警卫星平时观测提取导弹的动力特征,同时可利用同类型导弹的多次试验观测来对动力特征进行修正。本文进一步深入研究了弹道导弹的主动段特征,建立了两种基于模型约束的单星弹道导弹参数估计算法,包括:基于攻角约束的参数估计和基于动量守恒的参数估计。此类方法在无需标准弹道模板或动力特征等先验信息支持的情况下,可以对来袭导弹给出较高精度的射向估计结果,能够有效引导地基预警系统接力跟踪,为天基预警系统的弹道导弹早期预警提供了一种可行的引导方案。基于攻角约束的弹道导弹参数估计算法从导弹的动力学模型出发,在弹道导弹主动段中后部分攻角接近于零的假设下,利用带有区间约束LMF算法进行参数估计。基于动量守恒的弹道导弹参数估计算法通过弹道导弹飞行的动量模型和半解析的遍历算法进行弹道导弹参数估计。在上述研究基础上,本文还将基于动量守恒的参数估计算法推广至大椭圆预警星座,并对高轨预警系统复合星座的覆盖特性进行了研究,同时在保证估计精度的前提下对全球覆盖的高轨预警星座设计提出了建议。为支持天地基预警的引导交接,本文提出了基于模糊聚类识别弹头伴飞物的新算法,解决了预警交接过程中关键的目标识别问题。该算法通过分析弹体分离的多目标飞行特性,构建弹头和伴飞物相对位置的模糊等价关系,基于空间点共线及对称性的模糊判定方法进行弹头识别。最后,本文构建了面向天基预警的分布式仿真平台,能够有效的完成复杂预警场景的仿真与演示。仿真平台依靠分布式集群系统提高其计算能力,基于高层体系结构并利用主体技术增强其仿真的动态适应性,采用自主设计三维渲染引擎以满足复杂成像模型以及场景演示的需求,利用插件与脚本表示相结合实现其扩展性,并充分集成现有的开源软体以加速其开发。