基于非线性最优终端匹配的再入轨迹快速规划研究

针对新型升力式再入飞行器再入轨迹终端需满足多约束条件的情况,研究 了一种基于非线性最优终端匹配的再入轨迹快速规划方法。根据升力式再入特性和任务需要 ,将飞行器再入轨迹划分为初始下降段、准平衡滑翔段和终端匹配段,其中初始下降段和准 平衡滑翔段采用单参数迭代搜索法快速生成轨迹,终端匹配段则基于一种全局插值多项式来 离散化控制变量,并采用复形调优法对这一参数化最优问题进行非线性优化求解。仿真结果 表明,轨迹快速规划方法可以在半分钟内生成一条满足多终端约束的再入轨迹,并具 有较高的精度。该方法对于未来新型升力式再入飞行器具有很好的工程应用前景。
     

升力式飞行器最短返回时间离轨点设计方法

针对升力式飞行器升阻比较大、横向再入机动能力较强的特点，提出了一种综合考虑着陆场位置、返回时间和离轨燃耗约束的最短时间离轨点设计方法。首先，在飞行器运行轨道和着陆场位置给定的条件下，求解了着陆点与星下点轨迹的最小横向距离，并考虑位置及时间约束，根据再入可达域参数确定了再入航程角和再入时间范围。其次，考虑离轨燃耗约束，推导了再入角给定时离轨航程角和离轨时间的解析计算方法，采用牛顿迭代法求解二者取值范围。最后，依据离轨段及再入段航程角范围确定了离轨窗口，用非线性优化方法求解了返回时间最短的离轨点位置。数值仿真表明，所提方法能实现多约束下的飞行器最短返回时间离轨轨道计算，具有较好的适应性，可为航天器离轨方案设计提供参考。     

一种近似解析的再入滑翔飞行器可达域快速生成方法

针对再入滑翔飞行器可达域快速计算问题，研究了一种近似解析求解方法。首先，将可达域求解问题归结为两类纵、横程极值轨迹规划问题，利用极大值原理推导出满足最大纵程/横程要求时飞行攻角对应当前最大升阻比攻角的结论，通过仿真验证了该结论的正确性。其次，结合再入滑翔飞行器动力学特性，设计了不同极值轨迹的倾侧角变化规律，并通过梯度下降方法优化得到相关参数。最后，在不同飞行器初始状态条件下，通过数值仿真得到了所提方法的可达域。其与伪谱法优化结果基本一致，证明了所提方法的有效性。     

多约束航迹规划与跟踪制导律

研究升力式飞行器多约束航迹规划与跟踪制导律设计。考虑到飞行器为满足任务需求规定了一定范围的禁飞区，为确保滑翔段末状态处于中末制导交班窗口内设置了严格的终端约束，导致传统基于最大升阻比、平衡滑翔策略的航迹规划不适用。针对飞行器在不同空域的动力学特性，结合飞行策略预划分手段分段提出不同状态下的攻角、倾侧角剖面，通过优化剖面构型参数将无穷维轨迹优化问题转化为有限维参数规划问题，完成多约束航迹规划。最后，考虑到气动不确定性带来的轨迹偏差，利用线性二次型调节器以位移加权误差最小为优化指标完成轨迹跟踪制导律设计，实现对规划航迹的在线纠偏，并通过仿真分析验证所提方法的有效性。     

升力式再入飞行器两种可达区域计算方法的探讨

对2种计算升力式再入飞行器可达区域的方法进行了分析和探讨。首先建立了飞行器三自由度运动方程模型和升力式飞行器基于准平衡假设下的简化模型;然后基于最优控制方法,考虑过程约束和终端约束推导了闭环倾侧角控制律,采用双参数搜索法求取不同纵程下的最大横程;最后,以一种升力式飞行器为例分别用优化方法和常值倾侧角法进行仿真分析,结果表明常值倾侧角法可以代替优化方法进行分析与设计。     

高超声速飞行器多约束再入轨迹快速优化

针对高超声速飞行器再入过程中面临测控区和绕飞区的再入轨迹设计问题，提出了一种基于Gauss伪谱法(GPM)的分段轨迹优化策略。将轨迹优化的一般最优控制问题转换为多段最优控制问题，进而将各段轨迹按Gauss伪谱方法进行离散化，将连续多段最优控制问题转换为非线性规划问题(NLP)进行求解。所得再入轨迹能够使得飞行器在满足各种约束条件的情况下成功进入测控区并且有效规避绕飞区，最终到达指定点。此外，本文综合考虑飞行器再入飞行的快速性和工程实用性，并提出了再入时间、弹道倾角以及航向角相关指标的加权性能指标，同时保证了轨迹规划快速、再入轨迹平滑以及控制量变化平缓等实际需求，提高了计算效率。仿真结果表明，本文所提出的分段优化方案能够快速规划出适应不同飞行任务的再入轨迹。     

引入控制量变化率约束的双层协同轨迹规划器

针对亚音速飞行器编队飞行轨迹规划约束复杂、求解困难的问题,提出了一种引入控制量变化率约束的双层亚音速飞行器协同轨迹规划器。首先,引入控制量变化率约束以保证轨迹可行性,为了避免增加新的状态方程而增加计算量,采用拉格朗日插值多项式计算控制变量变化率,将其作为求解最优控制问题伪谱法的约束条件。然后,使用顶层单飞行器规划器在不考虑多飞行器协同约束的条件下使用较少配点的伪谱法快速求解每个飞行器的粗略轨迹结果,求解结果使用拉格朗日插值作为底层多飞行器规划器的初值。底层多飞行器规划器使用更多的配点以确保求解的精度,在考虑多飞行器协同约束条件下进行伪谱法求解,以解决伪谱法初值敏感问题并提高优化效率。最后仿真结果表明了所提方法的有效性,与引入虚拟控制量而增加状态方程方法相比,此方法计算量更小,求解效率更优,满足协同轨迹规划的要求。     

基于微分平坦的升力式再入飞行器鲁棒姿态控制一体化设计

针对升力式再入飞行器飞行过程中非线性、强耦合、快时变特性和外界干扰给姿态控制系统带来的挑战,提出了一种基于微分平坦的鲁棒姿态控制一体化设计方法。首先建立了升力式再入飞行器的姿态运动非线性数学模型,证明了该模型具有微分平坦性质。基于系统的平坦特性,通过微分同胚变换将模型转化为积分串联形式。在此基础上整体设计姿态控制器,实现姿态控制的一体化设计,相对于传统的时标分离方法,能更大限度地利用系统的性能,达到更好的控制效果,同时简化控制器设计过程,提高控制器设计效率。将非线性、强耦合、快时变造成的系统不确定项和外界干扰视为总扰动,设计了基于扩张状态观测器的补偿器,对总扰动进行动态观测并在控制器中实时补偿。仿真结果表明,提出的方法具有良好的姿态跟踪性能和较强的鲁棒性。     

考虑时间约束的多飞行器轨迹优化方法研究

针对同一发射场部署的多枚飞行器集群发射需求,提出一种降低飞行器之间到达任务地点间隔时间的轨迹优化方法.该方法考虑多飞行器发射的安全时间间隔,以每枚飞行器的任务总时长为优化目标,采用序列二次规划(SQP)算法对飞行程序角参数进行优化,使得多枚飞行器在各发射点和任务目标点不变的情况下,同时到达任务目标点,并采用基于径向基函...     

具有终端角度约束的固定配平型再入弹头制导方法

针对固定配平型飞行器带终端角度约束的末制导问题,本文基于滚转制导与三维圆周制导,提出一种新颖的制导方法。首先,根据再入弹头与目标的相对几何关系以及终端角度约束,在三维空间内确定出唯一的圆轨迹。然后,通过滚转制导控制升力方向使实际速度方向与期望速度方向重合后,弹头将沿圆轨迹命中目标,并满足终端角度约束。此外,为增强制导方法的鲁棒性,引入干扰观测器对干扰进行实时观测与补偿,并采用变结构控制理论进行制导律设计。仿真结果表明:该制导方法具有较高的命中精度,同时也能满足终端角度约束,并具有较强的鲁棒性。     

吸气式超声速导弹爬升段多约束轨迹优化

针对吸气式超声速导弹飞行过程多约束及强耦合的特性,研究了超声速导弹爬升段的轨迹优化设计问题。考虑吸气式推进系统与气动力、飞行轨迹的耦合,对超声速导弹冲压发动机的性能进行分析,揭示了吸气式发动机推力、静压裕度以及余气系数随飞行状态的变化规律;在考虑过载、动压、终端弹道参数及发动机参数等约束的条件下,建立多约束条件下的轨迹优化模型,提出一种适用于此类飞行器飞行轨迹与推力规律的优化设计方法,并对最小油耗的爬升弹道进行优化设计分析。仿真结果表明,该方法能有效解决吸气式超声速导弹多约束轨迹优化问题,可为吸气式超声速导弹的弹道规划与制导律设计提供参考。     

亚轨道飞行器上升段轨迹优化与快速重规划

针对亚轨道飞行器上升段轨迹优化问题,提出了基于Legendre伪谱法的轨迹优化与快速重规划方法.结合亚轨道飞行器上升段运动特点,着重研究气动力的表示方法,建立了矢量形式的动力学方程.应用Legendre伪谱法进行上升段轨迹优化,并分析了优化结果.结合该方法的特点研究了基于Legendre伪谱法的轨迹重规划方法.仿真表明轨迹优化结果具有精度高、满足一阶最优性必要条件等特点,重规划轨迹的入轨精度高,且重规划的时间短,能满足快速性要求.     

一种预测校正制导中攻角剖面的在线规划方法

提出一种预测校正制导中基于可达性量化评估的攻角剖面在线规划方法。首先采用最大纵程、最大横程、最小纵程3个关键参数构建可达区模型,并通过大量的离线弹道计算构建上述3个关键参数与升力修正因子、阻力修正因子和常值攻角的三维插值数据库。提出一种可达性量化因子用于反应期望终端位置的可达性。在飞行中对升力修正因子和阻力修正因子进行在线辨识,在攻角剖面的在线规划时以可达性量化因子最小为优化目标。仿真表明采用该方法可以获得较高的可达性判断正确率,攻角剖面的在线规划可以提高预测校正制导的成功率。本方法对于无动力升力式飞行器的制导策略在线决策和优化具有参考和应用价值。     

多高超声速飞行器静态协同再入制导方法

为实现多高超声速飞行器的协同再入，提出一种基于参考轨迹的静态协同再入制导方法。首先以实际轨迹长度代替大圆弧假设，研究了实际轨迹长度与总飞行时间的对应关系，提出采用公共轨迹长度作为协调变量的思路；然后设计了一种双层协同框架，其中协调层将轨迹长度作为协调参数进行协调匹配，执行层依据分配的协调参数完成再入飞行；最后针对协同再入的时间一致性要求，提出一种新的协同逻辑转换策略，将终端时间的一致性问题转化为到达截止时间的状态收敛问题。该方法在能量域内进行公共参考轨迹设计，之后通过时域信息提取在时域内完成公共参考轨迹跟踪，最终实现多成员的协同再入。分别在标称状态与模拟扰动环境对所提方法进行了数值仿真，结果表明，所提方法能够简明实现多飞行器的再入协同制导，具有较好的应用潜力。     

一种针对运动目标的飞行器航迹搜索算法

鉴于目前大部份的航迹规划方法研究都局限于静止目标，提出了一种针对运动目标的飞行器航迹规划方法。该算法借鉴自学习实时A*搜索的思想，将飞行器的运动与航迹搜索结合在一起，可以对目标的每一步移动实时作出反映。通过在限定的时间内扩大寻优范围，该算法不但可以满足实时在线应用的要求，而且可以有效地避免不可行区域，并使生成的航迹更加优化。实验结果表明，本文算法能有效地处理各种航迹约束，实时地生成满意的三维航迹。     

一种基于任务分区的轨道转移飞行器轨迹重规划方法

针对轨道转移飞行器入轨任务中可能的异常状态,提出一种基于任务分区的在线轨迹重规划方法。将重规划问题描述为非线性系统最优控制问题,在地心惯性坐标系中建立飞行器的状态方程。考虑轨道倾角偏差与远地点高度偏差,设计任务分区并完成目标轨道决策。根据不同分区确定相应的性能指标与约束条件,以目标轨道为圆轨道的任务为例,构建凸优化问题并采用序列凸规划方法完成求解,使轨道转移飞行器出现飞行偏差时能够预测可达范围并重新规划任务飞行轨迹。仿真结果表明这种方法可以在飞行任务中快速实现不同条件的轨迹重规划设计,对异常状态实现一定程度的补救。     

固定时间收敛的再入飞行器全局滑模跟踪制导律

针对再入飞行器模型强非线性、强耦合、快时变和不确定性的特点,以及再入飞行过程中复杂多变的飞行环境,本文提出了一种具有强鲁棒性的全局滑模跟踪制导律设计方法。首先,给出存在干扰的无动力飞行三自由度再入制导模型,以采用经度作为标准参考轨迹的插值因变量为例,将三变量的轨迹跟踪任务转化为对高度和纬度的二个变量的跟踪;然后提出了一种固定时间收敛的全局滑模跟踪制导律,可实现对参考轨迹的鲁棒跟踪,且可保证轨迹跟踪误差在设定的时刻收敛;最后通过对再入飞行器的仿真研究,验证所设计轨迹跟踪制导算法的有效性。     

临近空间高超声速无动力滑翔飞行器最优轨迹设计及制导研究

建立了临近空间飞行器无动力飞行理想运动模型及阵风干扰作用运动模型;通过共轭 梯度优化算法设计了飞行器基于多约束条件的最优轨迹;利用基于线性状态调节器（RQL） 制导方法实现阵风干扰作用下纵向与侧向参考轨迹的同时跟踪。仿真结果表明,本文的轨迹 优化算法能在很短的时间内优化出最优轨迹且具有很好的收敛性;采用的制导算法能实现各 种强度阵风干扰作用下的轨迹跟踪,具有很强的鲁棒性。     

高超声速飞行器上升段最优制导间接法研究

高超声速飞行器的机身－推进一体化设计使得气动和推进之间存在强非线性耦合,本文针对高超声速飞行器的特点,提出了求解最优上升轨迹的一种可行方案。在零侧滑角和力矩瞬间平衡假设下对上升段飞行问题进行最优建模,将质量引入为状态量,以最省燃料为指标,以推力方向为最优控制量,根据极大值原理推导一阶最优条件。为数值求解两点边值问题,以解析解作为初始猜想,应用经典的有限差分方法和改进的牛顿法,在满足攻角过程约束下,通过同伦算法迭代求解最优轨迹。仿真在给定的初始约束和终端约束下进行,结果表明该制导算法能够实现对高超声速飞行器上升轨迹的优化,以参考面积为同伦参数的迭代方法,能够保证算法的收敛性和快速性。
     

高超声速飞行器动力学规划的落点区域计算

高超声速飞行器的再入过程十分复杂,已知初始状态推断落点区域对飞行器再入航迹规划具有重要意义.本文提出一种基于动力学规划求解高超声速飞行器落点区域的方法.该方法在满足再入轨迹的各种约束条件前提下,在能量-阻力空间里描绘出标称阻力边界曲线,通过反馈线性法对其进行跟踪得到实际可用的上下边界,再经插值计算得到符合约束条件的阻力...