可重复使用飞行器末端能量管理段轨迹和制导研究

采用Bernoulli螺旋线来描述航向调整圆锥在水平面中的投影,以此为基础建立了可重复使用飞行器在航向调整段的动力学和运动学模型,提出了一种根据末端能量管理段起始点水平面位置和飞行器的能量/航程比动态来生成航向调整圆锥的方法,以及航向调整段和捕获段的制导方法;数字仿真结果表明,本文提出的轨迹设计和制导方法可以使可重复使用飞行器以自动着陆界面要求的速度和高度对准跑道,实现飞行器安全降落。     

RLV末端能量管理段的轨迹规划及制导策略研究

针对传统的可重复使用运载器(Reusable Launch Vehicle,RLV)在末端能量管理段(Terminal Area Energy Management,TAEM)存在的轨迹自适应能力不足和制导精度不够的问题,提出了一种TAEM三维轨迹规划算法及横向制导策略。首先,设计了纵向动压剖面和由3个参数决定的分段地面轨迹;其次,迭代基于内核提取协议(Kernel Extraction Protocol,KEP)的运动方程组,并设计了纵向位置校正算法,增强了对不同初始能量的自适应能力;最后,通过建立横向轨迹跟踪的数学模型,设计了航向校准和预着陆子阶段的开环和闭环横向制导律。仿真验证了轨迹规划和制导策略的有效性。     

基于间接Radau伪谱法的滑翔段轨迹跟踪制导律

针对高超声速飞行器滑翔段制导问题,提出一种利用间接Radau伪谱法求解最优反馈控制律的全状态标称轨迹跟踪制导律。将标称轨迹跟踪问题转化为线性时变系统状态调节器问题,基于Pontryagin极大值原理进一步将状态调节器问题转化为线性两点边值问题;利用间接Radau伪谱法求解所得的线性两点边值问题,获得最优反馈控制律,并在此基础上设计了易于在线执行的闭环轨迹跟踪制导律。数值仿真结果表明,该制导律对飞行器初始状态量的较大范围偏差和飞行环境参数的有限扰动不敏感,具有良好的鲁棒性,并且能够满足实时性的需求。     

RLV末端能量管理段三维鲁棒制导方法

针对传统可重复使用运载器(RLV)末端能量管理段(TAEM)制导方法在精度和实时性方面的不足,提出了一种三维鲁棒制导方法,提高扰动情形下的返回精度。首先,转换RLV时域制导模型为以高度为自变量的等效模型,设计基于滑模控制理论的制导算法,根据运载器当前状态生成满足动力学、末端和动压约束的状态轨线及制导指令;输入指令至RLV时域制导模型,一个制导周期后根据当前飞行状态更新制导指令,抵抗气动、大气及质量偏差等扰动。标称和扰动两种情形下的仿真验证了制导方法的性能。     

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。     

带落速落角约束的高超声速飞行器俯冲轨迹规划方法

针对高超声速飞行器俯冲段精确打击任务需求,提出了一种能够同时满足落速与落角约束的轨迹规划方法。建立了两段式轨迹规划策略,第一段采用参数化控制剖面调节飞行速度,第二段采用传统偏置比例导引律实现落角控制。将控制剖面的参数设计分解为多参数优化与单参数搜索两个问题：通过离线求解可行初始位置范围最大的多参数优化问题,提高控制剖面对初始偏差的适应性;通过在线求解带罚函数的单参数搜索问题,得到落速偏差最小的俯冲轨迹。结合高超声速飞行器模型,对所提出的俯冲轨迹规划方法进行了仿真。结果表明,该方法能够得到满足落速与落角约束的俯冲轨迹,具有较好的求解效率,且对初始状态偏差具有较强的鲁棒性。     

末端能量管理段轨迹生成改进算法

改进再入飞行器能最管理阶段轨迹牛成算法,以高度为独立变量的三自由度方程为出发方程,根据地面轨迹长度和横侧机动能力确定动压剖面.将迭代算法改进为递推算法,计算不同固定滚转角下所需的纵向指令,使用三步逐点转动地面轨迹的方法依次消除航向角、横程和纵程的终端偏差,最终生成符合飞行器动力学特性 I的轨迹以及相应的制导指令.三自由度仿真表明:算法合理地考虑了飞行器纵横向耦合的特性,使得生成的轨迹与相应指令相匹配.调整动压剖面有效地改变返场区域,增强了对于初始条件的适应性.     

高超声速滑翔再入定向定速打击末制导算法

以具有终端落角和落速约束的小升阻比短距滑翔高超声速再入打击飞行器为研究对象，通过引入弹道调整段来实现对飞行器的初步大幅度减速，并使其满足中末制导交班条件，以解决飞行器捕获目标后难以直接对其进行定向定速打击的问题。首先设计了一种变角偏差反馈系数的偏置比例制导律，解决了末端攻击段弹道下压困难以及导引头视场稳定跟踪等问题。在此基础上，建立了一种基于攻角和弹道倾角估计的末端减速指令生成方法，有效解决了基于理想速度曲线减速控制方法精度不足的问题。因此，数值仿真结果表明该制导方案能够有效控制飞行器终端落角和落速，并具有较高的制导精度。     

航天飞机末端能量管理段在线轨迹设计方法

研究了航天飞机末端能量管理段飞行轨迹的一种在线设计新方法。根据飞行器当前的     

带有时间约束的再入滑翔轨迹设计

为了满足飞行器协同飞行任务需求，本文研究了带有时间约束的再入滑翔轨迹设计方法。首先，建立了合理假设条件下的再入滑翔运动模型，并且提出了一种再入滑翔轨迹分段方法。其次，针对不同飞行段特点及任务需求，分别设计了各段导引律。其中，重点推导了滑翔段飞行剩余时间和剩余航程的解析解，将剩余飞行时间与末制导交班点速度建立对应关系，运用解析预测-校正思想，通过在时间调整段和能量调整段调节倾侧角翻转时机和幅值，同时满足末端能量和时间约束。最后，通过理论分析与仿真校验说明了本方法的有效性及鲁棒性。     

末端能量管理段迭代校正轨道算法研究

针对航天器进入末端能量管理段接口处时位置和航迹偏角存在大范围摄动的问题，提出一种使用迭代校正法的轨道快速生成算法。该算法可以根据航天器的具体初始状态，自动选择直接进场或者间接进场策略，快速生成可行的参考轨迹。首先通过跟踪轨迹地面投影实现侧向制导；根据末端能量管理段的起始点与终点的高度与速度约束生成参考动压-高度剖面，并跟踪此剖面实现纵向制导。然后采用迭代校正计算快速确定航向校准柱的位置与最终半径两个参数用以调整航程，保证航天器在末端的所有状态满足自动着陆段接口的边界约束。仿真结果校验了该算法可以根据航天器的具体状态快速生成符合约束条件的末端能量管理段飞行轨道，具有很好的鲁棒控制性能。     

Terminal area trajectory planning using the energy-tube concept for reusable launch vehicles

This paper concerns a terminal area energy management (TAEM) guidance system for a winged re-entry vehicle and describes the use of the energy-tube concept in a planning and estimation algorithm. In this paper, the focus is on the analysis of the energy management capabilities during changes in the initial conditions. The planning algorithm calculates the best heading alignment cylinder (HAC) position, based on the initial state at the TAEM interface. A cross-section of the energy tube contains all combinations of altitude and velocity from which it is possible to reach the runway. Ideally, the re-entry vehicle enters the terminal area in the ‘middle’ of the cross-section such that it has sufficient capabilities to react to off-nominal conditions that would require more or less energy dissipation. Each HAC position has a particular energy-tube cross-section. By shifting the HAC position, an optimal HAC can be found such that the initial state is situated in the middle of the cross-section. The planning algorithm uses a nominal longitudinal strategy, which is situated in between the maximum-dive and maximum-range capabilities, to calculate the optimal HAC position. However, in some cases the nominal longitudinal strategy is insufficient to reach the runway. Hence, in these cases, deviations from the nominal longitudinal strategy (nominal energy dissipation) are required during the actual flight. These deviations are calculated by the estimation algorithm and the magnitude of the deviation is based on the current position in the energy tube.     

一种不依赖剩余时间估计的巡航导弹多约束制导律

针对巡航导弹末段多约束精确打击问题,提出了一种不依赖剩余时间估计的攻击角度/时间制导律。推导了航向弹目相对运动关系,设计了一种基于附加航向角设计的时间约束制导律,通过对时间增益系数的设计和优化,实现附加航向角的调节,可使实际飞行时间向期望时间快速收敛;在此基础上,将角度约束制导律与时间约束制导律相结合,得到了一种角度/时间约束制导律。该制导律不依赖于剩余时间估计,进而实现多约束条件下航向轨迹自适应调整;通过求解偏置导引律闭环轨迹分析得到轨迹收敛条件,给出满足角度/时间约束制导律的显式收敛条件。最后通过数学仿真验证了本文提出的航向多约束制导律可满足时间和角度等多约束条件且具有快速收敛特性。     

航天飞机末端区域能量管理段航程设计研究

末端区域能量管理段的主要目的是控制航天飞机的动能和势能，并最终达到进场着陆段的初始要求，以保证最终成功着陆。制导系统通过能量、速度和侧向轨迹的控制，使航天飞机达到标准的能量状态。而航程设计是制导系统的基础，制导系统中控制指令的产生都依赖于航程预测，因此，设计预测航程对航天飞机顺利完成末区能量管理段的飞行至关重要。所采用的制导方法是将末端区域能量管理段划分为四个飞行段，即S形转弯段、捕获段、航向校准段及进场前飞行段。分别对四段进行了预测航程设计，并给出了仿真实例。仿真结果表明所设计的航程能够使航天飞机很好地完成末区能量管理段的飞行，具有较高的工程实现价值。     

高度-速度剖面内再入轨迹快速规划

提出一种升力式再入航天器进入稠密大气后的轨迹规划方法。在预先设定攻角剖面的前提下，利用路径约束(驻点热流、动压和过载)在高度-速度(H-V)剖面内直接获得轨迹下边界；利用终端约束确定以轨迹下边界为基准的高度增量，进而通过下边界与高度增量的加和形成满足要求的再入轨迹。其中，增量的形式选取为分段二次型函数，其大小可通过割线法快速获得。倾斜角大小可根据纵向动力学方程反解得到，其方向依据航向误差角走廊确定。通过对典型工况的仿真，结果表明所提方法能够快速规划出再入轨迹，且适应性好。     

亚轨道飞行器能量管理段在线轨迹设计及仿真

对亚轨道飞行器能量管理段在线轨迹生成方案进行了研究。该方案将地面投影几何轨迹参数化,通过迭代计算参数生成标准轨迹,验证轨迹可行性并选择最优轨迹。经仿真验证,该方案能够在较短时间内完成轨迹的在线生成,结果满足进场着陆要求。     

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。
     

Algorithms for the transport spacecraft descending stage lateral motion control

This report deals with the problems of synthesizing algorithms for controlling the attitude manoeuver of a transport spacecraft aimed at injecting the spacecraft into a closed terminal domain of “heading-range” phase coordinates which makes it possible to descend to the landing aerodrome region in accordance with a spiral trajectory tracking pattern. The descent trajectory is controlled by changing the roll angle. The principal distinguishing feature of the suggested method of transport spacecraft lateral motion control resides in guiding the spacecraft to a terminal curve and in providing an automatic transfer from roll control to interacting control of roll angle and angle of attack. The performance of the control algorithm under transient conditions are considered in detail.Algorithms controlling the longitudinal range by varing the magnitude of the roll angle and lateral range by selecting the respective sign of the roll control angle are thereafter synthesized separately. The major problem in designing the angular motion control system of transport spacecraft is the development of a high-rate roll axis turn control algorithm. To ensure high accuracy of lateral manoeuvering of the spacecraft it is expedient to accomplish the spacecraft reorientation in roll in a minimum time. It is therewith necessary to take into account with the sideslip angle limitation associated with the need of complying the design conditions of the spacecraft flowaround and with the spacecraft skin selected temperature conditions. It is expected that the total side slip angle is acceptable for measurement. Within the greater portion of the descent trajectory constant-thrust jet-reaction control engines are employed as actuators. Therefore, together with the high speed of response developed control algorithm provides an adequate efficiency of the system from the viewpoint of fuel consumption. The possibilities offered by the suggested algorithms controlling the lateral motions of the center of masses and around the center of masses during the descent stage and in the course of landing approach manoeuvering are illustrated by an example considering a hypothetical transport spacecraft featuring variable aerodynamics and a low frequency of natural oscillations of the angular motion loop. The suggested algorithms make it possible to fully employ the transport spacecraft maneuverability and to meet the terminal heading and velocity requirements within a wide class of disturbances.     

空天飞行器返回滑翔段在线制导方法

针对空天往返飞行器的返回滑翔段在线制导问题，设计了一种新的滑翔段飞行剖面，实现了滑翔段终端交班高度、位置和倾角约束的自动满足，减少了在线制导算法中需处理的约束数量。推导了滑翔段运动状态、过程约束和性能指标的解析表达式，获得了剩余航程和终端速度间的函数关系。在此基础上，提出了一种双层在线制导方法：内层解析重构飞行剖面，同时通过解析确定路径点来改变剩余航程的变化率，进而对终端交班速度进行控制；外层借助解析表达式，使用粒子群优化算法(PSO)和改进共轭梯度法(CGM)优化飞行剖面，从而满足过程约束和指标要求。最后通过数学仿真验证了方法的正确性。