Analysis of predictive entry guidance for a Mars lander under high model uncertainties

The problem of precision landing on Mars is now considered to be an essential challenge in the planned Mars missions. The paper focused on the guided atmospheric entry as a predominant phase in achieving a desired target state, as compared with the following parachute and powered descent. The predictive algorithms for the longitudinal guidance of a low-lift entry vehicle are treated. The purpose is to investigate applicability of the predictive strategy under possible high discrepancies between the on-board dynamic model and real environment while in entry trajectory. The comparative performance analysis based on computer simulation has been made between the standard one-parametric “shooting” predictive algorithm and a more complex two-parametric algorithm providing lower final velocity and, thus, expanding the interval of admissible downrange. However, both algorithms display considerable degradation of downrange accuracy in the cases when the actual drag force is larger than the modelled one. An acceptable solution has been found by including to both predictive guidance schemes an identification algorithm that repeatedly adapts the on-board model to varied environment in real time scale.     

可重复使用运载器的再入制导(英文)

提出了一种针对可重复使用运载器的再入制导算法。算法可分为轨迹规划算法和轨迹跟踪算法。较之经典的规划阻力的航天飞机制导方法,此算法最显著的特点在于轨迹规划与轨迹跟踪都直接在高度-速度空间里进行。在规划算法中,所有的轨道不等约束都可用高度-速度空间里的上下边界来表示,之后基于此边界采用线性化插值的方法来产生标称轨迹族,最后根据末端约束(末端能量管理)和航程约束来选择所需的标称轨迹。跟踪算法则采用反馈线性化来跟踪此标称轨迹进而满足所有的约束条件。此算法另一有别于传统方法的特点在于算法可使用一个航迹角控制器来增加航程,以满足大航程需要。适当地结合规划-跟踪算法和航迹角控制器可给再入制导带来极大的灵活性和适应性。另外,算法对各种建模误差与噪声的鲁棒性经验证也是符合要求的。     

大气层外拦截弹中段制导研究

大气层外拦截弹中制导的终端约束是拦截弹处于零控拦截流形上。针对目标与拦截弹引力加速度差的几种简化模型,推导了相应的零控拦截流形表达式,并进行了定量的精度分析。在此基础上,针对耗尽关机的固体燃料发动机,设计了基于剩余速度增量的制导律。通过构造虚拟剩余速度增量映射避免了剩余速度增量带来的计算奇异,并提高了制导精度对装药燃速偏差的鲁棒性。仿真表明,采用该制导律推力方向平稳,制导精度与相应的零控拦截流形精度相当且鲁棒性好。     

高速再入飞行器的变结构控制及其六自由度仿真研究

针对高速再入飞行器模型的快时变、强耦合及严重非线性的特点 ,采用变结构控制方法设计了自动驾驶仪 ;同时 ,采用最优化设计理论与理想速度曲线相结合的方法 ,设计了能同时保证末端制导精度及速度方向、大小的制导律。最后 ,进行了系统六自由度仿真 ,结果表明 :本文设计的制导律及控制方案合理、有效 ,易于实现     

火星大气进入轨迹伪谱凸优化设计方法

为解决火星大气进入末端高度最大化问题,提出Legendre伪谱凸优化(LPCP)方法进行求解.首先以纵向航程角为自变量建立火星进入模型,从而将末端时间自由问题转化为末端纵向航程角固定问题,避免优化末端时间;同时相比基于能量的模型,不必已知末端高度和速度,因此可以求解末端高度最大化问题.然后将状态微分方程在Legendr...     

椭圆轨道交会、悬停与绕飞的全状态反馈控制

面向大椭圆轨道航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,对大椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,采用幂级数法分别在脉冲推力和常值推力作用两种情况下对系统进行了近似求解。通过对系统解的变换以及对系统状态的重构,给出了大椭圆轨道上的三种交会制导律。脉冲推力作用假设下的脉冲制导类似近圆轨道的Hill制导方法。常值推力作用假设下的全状态反馈制导律则在交会制导、相对悬停和循迹绕飞控制的过程中实现了对相对位置和相对速度的同步控制。通过构造新的系统状态,改进的变系数全状态反馈制导律提高了相对速度的制导精度,降低了相对制导过程中的最大轨控加速度。三种制导律的制导效果通过数学仿真进行了校验和比较,文中给出的方法实现了椭圆轨道上相对交会制导、悬停保持和循迹绕飞控制。     

多约束条件下高超声速滑翔飞行器轨迹优化

研究了考虑航路点、禁飞区、热流、动压、过载、控制量以及终端状态等多种约束条件下高超声速滑翔飞行器轨迹优化设计问题。分析了采用一般Gauss伪谱方法进行高超声速滑翔飞行器轨迹优化设计存在的主要问题,为此,提出了轨迹分段优化策略,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进行求解。以多约束条件下最大射程轨迹优化为例进行仿真分析,结果表明分段优化方法能够较快地设计出满足各种约束条件的优化轨迹。     

攻击固定目标的飞行器制导控制一体化设计

对于攻击地面固定目标的飞行器,提出一种非线性制导律和控制方法。制导和控制一体化的设计方法充分考虑了制导和控制回路的不确定性和未建模动态。对于系统的非匹配不确定的特点,设计了特殊的终端滑模切换面和相应的控制策略,使得系统在有限时间内收敛到终端滑模面。分析表明滑模控制器保证了闭环系统的稳定性。数学仿真验证了此方法的有效性。     

基于Gauss伪谱法的助推-滑翔飞行器多阶段约束轨迹优化(英文)

在同时存在路径约束和边界条件时确定助推-滑翔飞行器的最优运动轨迹是近年来的热点问题。本文讨论了助推-滑翔飞行器的具有最大纵向航程和横向航程的两种最优轨迹。Gauss伪谱法是由Benson和Huntington提出的,在求解复杂的最优控制问题时有较快的收敛速度并能提供高精度的解。文中介绍了该方法并利用其将轨迹优化问题变换为可由NLP求解器进行数值求解的非线性规划问题。文中还介绍了其它相关的技术,例如端点控制的计算方法、处理包含奇异弧段的多阶段问题的处理方法、获得初始猜测值的方法和验证结果的方法等。仿真结果可以说明在给定的热流、过载和动压约束下最优轨迹的若干关键特性。通过优化和仿真计算,同时证明了此方法的实用性和有效性。     

基于有限时间H2性能指标的导弹机动突防策略设计

针对导弹机动突防策略设计中存在的对主要性能指标缺乏综合评价手段的问题,基于有限时间H2性能指标,给出系统性能分析与设计的准则,综合考虑脱靶量和机动消耗的能量,设计了脱靶量/能量最优的机动形式。考虑拦截器制导律信息存在不确定性,提出了有限时间鲁棒H2性能分析方法与有限时间鲁棒H2保性能控制准则,设计了在拦截器制导律信息存在不确定性时的保性能机动。结果表明,突防导弹在拦截末段的大幅度机动最为有效,能够以较小的能量代价换取较大的拦截脱靶量。
     

基于Riccati方程解的再入飞行器制导律设计

提出一种再入飞行器纵向制导律设计方法。首先对纵向运动方程沿着实际轨道线性化,然后利用线性最优调节器原理设计制导律。在每个制导周期内求解代数R iccati方程,利用其正定解构造反馈控制律,与标准轨道的控制量叠加后形成全量控制,用于实际再入轨道的制导。仿真结果表明,所设计的制导律对再入初始偏差具有较强的鲁棒性,同时它也能较好地补偿由于气动参数和大气密度摄动造成的航程误差,从而保证落点精度。     

多模切换控制方法及其在分导飞行器姿态机动控制中的应用研究

研究一类离散切换系统的鲁棒保性能状态反馈控制器设计问题。利用切换Lyapunov函数和线性矩阵不等式方法,得到了鲁棒保性能控制器存在的一个充分条件,给出了控制器的参数化表示,并将次优保性能控制器的设计问题转化为基于线性矩阵不等式约束下的凸优化问题。最后将所提理论应用于某飞行器的控制方案设计中,说明了本文所提设计方法的有效性。     

微分对策制导规律与改进的比例导引制导规律性能比较

本文根据现代战争敌我双方对抗格局 ,提出了防空导弹拦截高速大机动目标 ,采用微分对策强迫奇异摄动方法零阶组合反馈解析解制导规律。这种制导规律只需要导弹和目标的位置、状态变量和法向过载的测量量 ,易于弹上实时实现。为了证明该制导规律的良好性能 ,文中给出了另一种改进的比例导引制导规律 ,并以某防空导弹为研究背景 ,对两种制导规律的性能进行了比较。结果表明微分对策制导规律的弹道参数特性比改进的比例导引制导规律好得多     

通信拓扑切换下的预定时间分组协同制导方法

针对通信网络拓扑结构切换下的协同制导问题，提出了一种预定时间协同制导方法(PTCGL),以保证拓扑切换下的预定时间分组收敛。首先，建立三维飞行器协同制导模型和拓扑切换下的分组协同架构：组间利用小组领队飞行器之间的协作实现分组配合，组内则通过有向通信实现组协同。随后，在通信网络拓扑结构切换的情况下，结合牵制控制和预定时间理论，基于M矩阵假设的牵制分组误差和预定时间尺度函数提出拓扑切换三维预定时间协同制导律。进一步，考虑拓扑切换驻留时间，利用Lyapunov理论证明在通信拓扑切换的情况下，该制导律可实现预定时间收敛。最后，数值仿真结果验证了所提出的协同制导方法可实现在拓扑切换下的预定时间收敛、保证分组协同打击。     

基于CAN总线的全自主移动车辆信息网络设计

面向全自主轮式移动车辆设计了基于CAN总线的控制-感知-导航通信系统。提出了CAN总线带宽分配原则及通信协议,并针对典型导航传感器系统进行了通信负载-可靠性试验,给出了多自主移动车辆的信息网络的建立方法。实验结果表明:基于CAN总线实现车体导航-控制可满足自主控制的实时性和可靠性要求。     

基于DFL的拦截导弹非线性导引律研究

在研究拦截导弹质心运动特点以及考虑一些实际因素的情况下，建立了一种拦截导弹系统的二维简化运动模型，并给出了该模型的状态方程一般表达式。根据这一状态方程的表达形式，应用非线性系统的直接反馈线性化（DFL）理论，得出了一个导弹加速度的线性补偿律，并根据该线性补偿律和PN导引律，设计出了一种基于I／O描述和PN导引律综合的变结构控制律。本文的末尾给出了应用该综合控制律的一些仿真结果，这些仿真结果表明：该控制是拦截导弹导引的一种有效处理方法，所设计的系统具有良好的跟踪性能，具有一定的研究应用前景。     

一种小型固体运载火箭末级多约束制导方法

针对耗尽关机的固体运载火箭末级多约束制导问题,提出了在真空飞行段设计一种具有速度管控能力的多约束制导方法。同时针对速度管控引起的状态矢量耦合问题,基于定点制导算法推导出一种适用于耗尽关机制导的拓展理论算法,通过求解交变姿态速度管控方向实现对耦合项的抑制;并对大气层外“助推-滑行-助推”的任务模式,在此理论基础上推导出滑行点火时间、〖JP2〗需要速度矢量与终端轨道根数之间的理论关系,解决了固体运载火箭在固定弧长条件下的两点边值问题。蒙特卡洛仿真结果表明：该制导算法对不同载荷任务具有较强的适应能力,对模型的参数偏差及不确定性具有高制导精度和强鲁棒性,因此该算法具有一定的理论意义和工程应用价值。     

“嫦娥三号”巡视器的最终状态管控实践

文章分析了“嫦娥三号”巡视器的特点,详细阐述了包括策划组织、要素分解、量化管控要求等在内的最终状态确认工作,并对这项工作进行了剖析、总结,可以作为其他航天器最终状态确认工作的参考。     

基于二阶滑模控制的驾束制导导弹一体化制导系统设计

针对驾束制导导弹,运用超扭曲二阶滑模控制理论,提出了一种一体化制导控制算法。通过充分考虑目标不确定因素以及控制回路未建模状态,建立了一体化制导控制回路的四阶状态方程。运用该状态方程的转移矩阵,重新定义了零能脱靶量(ZEM),使其不再需要估计剩余时间,并将此作为滑模切换面,设计了一体化超扭曲二阶滑模制导律。通过对目标的拦截仿真,结果表明制导线偏差可在有限时间内收敛到零,从而验证了选择新定义的ZEM作为制导律的滑模切换面是有效的。数字仿真结果也表明了该一体化设计方法明显优于不考虑控制回路的传统制导律设计方法。