基于风场环境利用的平流层浮空器区域驻留关键问题研究进展

基于风场环境利用的平流层浮空器继承高空气球结构简单、技术成熟、快速响应、使用效费比高等特点，通过引入控制设计，克服轨迹控制和高度控制等方面的局限，具备一定的飞行轨迹规划和区域驻留能力，是当前临近空间飞行器发展的重要方向。本文基于对典型项目的调研分析，梳理了基于风场环境利用的平流层浮空器在区域驻留应用中的关键技术，重点讨论了风场感知与建模、风场利用方法、轨迹规划与决策等核心问题的研究现状，对现有方案进行深入分析，从实际应用的角度探讨了相关技术难题的可行解决方案。     

基于探空气球系统的高空高速飞行器空速校准方法研究

针对高空高速飞行器的空速系统校准,提出了一种基于高空气象探测气球系统的空速校准方法。通过探空气球系统获取飞行空域的大气数据,以此为基础完成对飞行器的空速系统校准。飞行试验结果表明,采用探空气球系统对高空高速飞行器进行空速系统校准,方法可行、结果可信。     

基于液态压舱的平流层飞艇姿态调节方式研究

姿态调节机构是平流层飞艇姿态控制系统的执行部件,姿态调节贯穿于飞艇上升、平飞和下降整个过程。现有技术中,平流层飞艇姿态调节主要有升降舵、调姿副气囊和固态压舱三种形式,针对升降舵和调姿副气囊控制效率低以及固态压舱不能循环利用等问题,提出了一种基于液态压舱的平流层飞艇姿态调节新方案。论述了新方案的设计要求、结构特点以及原理分析。新方案采用液态压舱的形式,不仅提高了姿态调节控制效率,而且可以循环利用。验证飞艇飞行试验结果表明,采用该方案的姿态调节形式能够满足平流层飞艇长时间飞行控制需求。     

临近空间串联气球系统设计与特性分析

目前,零压气球和超压气球固有的不足限制了高空气球的飞行能力。提出了 1种无需消耗压舱物和浮升气体即可实现昼夜高度自稳定且能够长时间迂回飞行的临近空间串联气球系统。结合了 2种气球的优点,避开了现阶段高空气球发展遇到的困难。建立了昼夜飞行高度一定的串联气球系统的数学模型,设计了能够利用准零风层风场条件实现迂回飞行的串联气球系统,通过与单一零压气球系统对比,验证了该系统的优势。数值仿真分析了零压气球形状、系统设计高度对超压气球尺寸、最大超压量等关键参数的影响,为设计飞行性能更好的系统提供了重要参考依据。     

基于行为逻辑的平流层飞艇试验自动测试方法

平流层飞艇飞行试验之前需在地面开展测试以保证飞艇测控、安全控制等关键分系统功能正常和全系统长时工作可靠。通过研究平流层飞艇的系统结构组成、功能以及控制逻辑,给出了平流层飞艇测试行为逻辑和测试行为;在此基础上,构建了试验测试模式和测试流程,给出了试验测试系统实现方法,确定了测试系统中测试程序功能的实现方式。最后,通过平流层飞艇试验测试实施验证了自动测试方法的有效性。     

仿真飞行轨迹的设计及应用

由于全面真实的飞行轨迹数据很难获取,而捷联惯导系统性能测试又必须要有飞行轨迹数据和惯性器件的输出作为基础,为此,介绍了一种仿真飞行轨迹的设计方法,将飞机飞行过程分解为若干基本运动状态,并建立了相应的模型,可根据实际需要组合各种基本运动状态构成一条完整的飞行轨迹.据此设计了一条仿真飞行轨迹并对该轨迹进行了应用仿真.结果表明,此法不仅能够较好地模拟飞机的实际飞行状态,更能有效地测试捷联惯导算法的精确性和可靠性,应用效果令人满意     

一种自主四旋翼飞行器控制系统结构研究

四旋翼无人飞行器在军事及民用领域都有很重要的应用,但目前主要是以遥控控制为主,其自主飞行能力较弱,因此提出了一种针对四旋翼飞行器的自主控制架构,它可根据设置好的飞行轨迹进行自主巡航飞行.该自主飞行架构主要分为两部分,分别为导航控制系统和姿态控制系统.导航控制系统根据航线信息解算系统控制姿态角及飞行速度,并把解算结果交给姿态控制系统,由姿态控制系统完成实际飞行器姿态的控制.通过航线自主飞行仿真对该方法的可行性进行了验证.结果表明,该自主控制架构明晰,易于实际控制系统的实现,具有实际应用价值.     

基于径向基神经网络的空天飞行器鲁棒自适应轨迹线性化控制

基于轨迹线性化控制方法(TLC)以及径向基神经网络(RBFNN)技术研究了一种新的鲁棒自适应轨迹线性化控制方案并应用于空天飞行器(ASV)飞行控制系统设计中.首先基于被控对象的分析模型设计系统的TLC控制器,然后利用RBFNN对系统不确定的逼近能力,设计了鲁棒自适应控制器及参数的自适应调节律,并采用Lyapunov方法严格证明了闭环系统所有误差信号一致最终有界.最后应用新控制方案设计了ASV飞行控制系统,仿真结果表明了方法的有效性.      

平流层飞艇研制现状、技术难点及发展趋势

平流层飞艇研制是一项庞大复杂的系统工程,其技术攻关、系统研发及工程应用中遇到的诸多关键问题与技术难点,需要用全新的理念和创新的方案解决。综述了国内外平流层飞艇研制的进展与现状,重点描述了已经开展的技术验证试飞的情况。针对平流层飞艇总体布局、超压囊体、能源系统、飞行控制和定点着陆5个方面,梳理了其技术难点、研究现状和发展趋势,从工程研制的角度探讨了相关技术难题的可行解决方案。     

飞行器跟踪遥测的现状和发展趋势

跟踪遥测是一种获取飞行物体轨迹信息的方法,飞行物体例如飞机、导弹、卫星、气球或深空探测器等,通过电磁辐射源指示其飞行位置。从成本方面考虑,一种有吸引力的方法是将飞行器上的遥测、跟踪和遥控(TTC)设备组成一个综合的系统,而地面的接收和跟踪设施也综合在一起。本文评述了测距设备(DME)和测角设备(AME)与遥测系统相结合的现状。这方面进一步的发展将主要依赖时频参考源,微波元件和信息处理等技术的进展。本文试图分析这些技术的发展将以何种方式影响各种系统参数。     

Dryden型大气紊流对平流层飞艇能量最优轨迹影响

研究了常值风场作用下平流层飞艇的上升段轨迹优化和大气紊流对最优轨迹的影响问题。首先基于平流层飞艇的受力分析,建立了考虑常值风场、地球自转和飞艇质量变化等诸多因素的三自由度动力学模型,处理参数得到归一化的系统方程;其次采用直接配点法将平流层飞艇的最优轨迹问题转换为非线性规划问题,以最小能量为目标函数,给出非线性规划问题的求解策略,优化得出可行解后对飞艇的最优上升轨迹及相应的加速度项进行了分析,将优化的控制量代入微分方程验证了优化轨迹的准确性;最后加入Dryden型大气紊流的干扰,选取多组大气紊流干扰下的数据进行对比分析,仿真结果表明大气紊流叠加风场均值与飞艇终端位置误差存在一定规律,分析并提出了平流层飞艇抵御大气紊流干扰的策略。     

The Balloon Array for RBSP Relativistic Electron Losses (BARREL)

BARREL is a multiple-balloon investigation designed to study electron losses from Earth’s Radiation Belts. Selected as a NASA Living with a Star Mission of Opportunity, BARREL augments the Radiation Belt Storm Probes mission by providing measurements of relativistic electron precipitation with a pair of Antarctic balloon campaigns that will be conducted during the Austral summers (January-February) of 2013 and 2014. During each campaign, a total of 20 small (～20 kg) stratospheric balloons will be successively launched to maintain an array of ～5 payloads spread across ～6 hours of magnetic local time in the region that magnetically maps to the radiation belts. Each balloon carries an X-ray spectrometer to measure the bremsstrahlung X-rays produced by precipitating relativistic electrons as they collide with neutrals in the atmosphere, and a DC magnetometer to measure ULF-timescale variations of the magnetic field. BARREL will provide the first balloon measurements of relativistic electron precipitation while comprehensive in situ measurements of both plasma waves and energetic particles are available, and will characterize the spatial scale of precipitation at relativistic energies. All data and analysis software will be made freely available to the scientific community.     

基于梯度下降法的翼伞系统最优分段航迹规划

传统最优控制航迹规划一般以逆风精确着陆、控制能量小为优化目标，但传统最优控制的操纵过程一般是一条连续变化的曲线，工程上不易实施；与之相比，传统分段航迹规划操纵简单，工程上容易实施，能实现逆风精确着陆的目标，但控制能耗大。为了兼顾逆风精确着陆、能耗低和控制操作简单等目标，提出了一种基于梯度下降法的翼伞最优分段航迹规划方法。该方法将控制变量参数化，将逆风精确着陆、控制能耗小、能实现避障等多目标优化问题转化为加权单目标优化问题，并通过梯度下降法求解得到分段常值最优归航航迹。所提算法与基于伪谱法的最优控制规划航迹和基于遗传算法的分段规划航迹进行了对比，算法仿真结果表明本文提出的最优分段航迹规划法既可以实现着陆精度高、控制能量小、逆风着陆和避障的优化目标，同时规划的航迹又由分段常值实现控制，工程上容易实施，兼顾了最优控制航迹规划和分段航迹规划的优点。     

一种用于主动流动控制的气泡型微致动器

 面向先进主动流动控制，在国内率先研发了一种基于微机电系统(MEMS)的气泡型微致动器阵列技术。分析了气泡型微致动器用于主动流动控制的原理，阐述了致动器结构及其加工工艺。通过对气泡样件的压力载荷 变形行为的测试，表明其具有较好的线性和较大承载能力。结合不同翼型的风洞试验表明，微致动器作动可以影响翼型表面的压强分布，从而可用于增升等控制目的。     

临近空间低动态飞行器控制研究综述

针对临近空间低动态飞行器出现的新的控制问题,分析和总结了临近空间低动态飞行器控制进展状况和发展趋势。首先,基于飞艇和浮空器等临近空间低动态飞行器的特点,归纳总结了其飞行控制问题。在此基础上,结合这类飞行器的当前发展状况,从飞行器控制角度出发,着重介绍总结了临近空间低动态飞行器在控制系统执行机构配置、数学模型、姿态控制、定点控制、速度控制、航迹优化、轨迹跟踪控制、升空和返回控制、压力控制,以及应用的多种控制策略的研究进展。最后,在已有的控制问题研究发展的基础上,提出了临近空间低动态飞行器在控制研究领域所要解决和关注的若干问题。     

Robust optimization of control command for aerospace vehicles with aerodynamic uncertainty

To reduce the design burden of Aerospace Vehicles (ASVs) control systems, this paper proposes a multi-constrained robust trajectory optimization method, which provides a good front-end input for the control system. Differ from the conventional aircraft, some control performance of ASVs is not only related to the model parameters, but also affected by the flight status. Therefore, the robust optimization method combines this characteristic of ASVs, sets the control performance as one of the optimization objectives, and considers the influence of parameter uncertainty. In this method, the polynomial chaos expansion algorithm is used to transform the trajectory optimization problem with uncertain parameters into the equivalent deterministic robust trajectory optimization problem. Finally, compared with traditional deterministic trajectory optimization methods to illustrate the effectiveness of proposed control optimization method.     

天基光学平台下弹头与气球诱饵中段观测运动差异分析

为了解决弹道导弹在中段释放气球诱饵伴飞,以干扰天基光学防御系统对导弹目标进行精确跟踪识别的问题,基于弹头和气球诱饵质阻比的差异,利用美国NRLMSISE-00(Naval Research Laboratory Mass Spectrometer and Incoherent Scatter radar Exosphere,海军研究实验室质谱仪和非相干散射雷达大气经验性模型)对气球诱饵进行相应动力学分析,得出气球诱饵在弹道中段的大气阻力模型.然后给出了J2摄动下,气球诱饵经过阻力修正后较精确的中段运动模型,并将结论引入到天基光学平台中,进行观测仿真实验.结果表明,在200 km以上的高空,大气阻力对于弹头和气球诱饵的影响微弱,可忽略不计,在观测像平面中表现为一块难以区分的亮斑;而在100～200 km高度范围内,气球诱饵受大气阻力影响剧烈,在观测像平面内的运动与弹头存在较大差别,具有较强的可区分性.     

Performance limitations in trajectory tracking control for air-breathing hypersonic vehicles

An integrated approach that considers the performance limitations of tracking control systems for air-breathing hypersonic vehicles is proposed. First, a set of ascent trajectories is obtained as candidates for tracking control through a trajectory design method that considers the available acceleration. Second, the basic theory of performance limitations, which is adopted to calculate the limits on control performance through the trajectory, is integrated. The open-loop dynamics of air-breathing hypersonic vehicles is responsible for these limits on the control system. Comprehensive specifications on stability, tracking accuracy, and robustness are derived, and the flight envelope with constraints and control specifications is identified. Simulation results suggest that trajectory design should consider restrictions on control performance to obtain reliable solutions.     

翼伞系统在未知风场中的归航控制

翼伞系统在未知风场中执行归航任务时,需获得风场的大小和方向信息,以便在归航过程中利用或者消除风场的影响。为实现翼伞系统在未知风场中精确归航与逆风雀降着陆,首先提出一种利用全球定位系统(GPS)定位数据和最小二乘法在线辨识风向和风速的方法,然后将风场中平均风的影响在轨迹规划中予以考虑,设计分段归航路径;将突风作为外界干扰,在轨迹跟踪过程中由线性自抗扰控制(LADRC)器进行观测和补偿。最后通过仿真实验验证了本文所提出的归航控制方法对于提高翼伞系统在未知风场中的归航精度和抗风能力有重要意义。