高超声速飞行器再入多段导引方法研究

针对通用航空飞行器(CAV)的再入飞行问题,研究了一种滑翔式再入飞行器的三自由度轨迹快速生成方法。该方法将再入轨迹分为初始下降段、过渡段和占大部分飞行时间的拟平衡滑翔段,引入拟平衡滑翔条件(QEGC),将过程约束转换成倾侧角制导律的上界。结合预测校正方法在线设计满足各种轨迹约束的倾侧角制导律,最后在计算机上进行制导仿真。仿真结果表明,该方法可快速地得到满足过程约束和目标要求的弹道。     

登月软着陆过程多约束最优制导律研究

为使登月舱软着陆过程安全可靠,须对其飞行轨迹进行多种约束规划与制导。在满足登月舱姿态约束的基础上进行最优制导律推导;考虑到飞行过程中的多种约束,引入航点优化算法,将飞行过程中的轨迹多约束转换为航点约束,并以指令加速度变化平稳为优化指标,将轨迹优化问题转换为二次规划问题,实现多约束下最优制导。仿真结果表明该方法能在加速度变化最小的情况下满足多种飞行轨迹约束要求,落点精度满足要求,实现登月舱安全软着陆。     

高超声速滑翔飞行器约束预测校正再入制导

针对大升阻比高超声速滑翔飞行器的再入制导问题,将再入轨迹划分为初始下降段、过渡段和准平衡滑翔段。初始下降段采用定倾侧角飞行,过渡段在最大倾侧角附近飞行,准平衡滑翔段利用数值预测校正方法和准平衡滑翔条件在线设计同时满足过程约束和终端约束的倾侧角制导律。通过标准条件和扰动条件下的仿真结果表明,这种制导律在满足各种约束的条件下,不仅能够达到较高的精度,而且对初始误差具有良好的鲁棒性,能够应付再入时各种不确定性因素的影响。     

圆弧预测变系数显式拦截中制导

为了满足临近空间机动目标拦截中制导预测和多约束要求,设计了一种基于圆弧预测的变系数显式拦截中制导方法。首先针对临近空间目标滑翔段飞行特性,提出了基于圆弧的几何目标预测方法,将目标机动轨迹近似为圆弧,通过多个间隔时刻的目标位置确定圆弧参数,依据圆弧预测轨迹估计剩余飞行时间,并以当前速度递推预测拦截点状态,进而推导了三维角约束显式制导律。在此基础上,通过在性能指标中构建动压权重函数,以飞行动压近似可用过载变化,设计了变系数显式制导律,实现了制导增益的自适应更新,从而可以使得需用过载在飞行全程中合理分配,满足可用过载约束。最后结合圆弧预测和变系数显式制导,实现了对机动目标的预测拦截。仿真结果表明所提方法具有较好的目标预测精度,而且可以满足终端交会角以及可用过载约束。     

具有碰撞角约束的三维圆轨迹制导律

 针对再入飞行器带碰撞角约束的导引问题,设计了一种新型三维(3D)制导律。改进并扩展了圆轨迹导引算法,定义了2个圆轨迹跟踪误差变量。通过对导引任务的分析,提出闭环修正导引方法。在此基础上,对再入飞行器制导过程的动力学方程进行解析推导,设计出能适应再入飞行器速度大小变化的三维闭环圆轨迹制导律(3CCGL)。数学仿真结果表明:此制导律能导引再入飞行器沿终端约束方向精确命中目标;同已有算法相比,该制导算法优势明显,其导引的飞行路径短,终端碰撞速度大,并能实现大角度转向攻击,大幅提高再入飞行器的末段机动能力。     

基于解析剖面的时间协同再入制导

针对高超声速滑翔飞行器再入段时间协同制导问题，提出一种基于高度-速度剖面的预测校正协同制导律。首先在高度-速度剖面内设计了参考轨迹，利用两个轨迹参数在线预测剩余飞行航程和时间；通过数值算法校正两个轨迹参数以满足航程和时间约束并求取实际控制量，结合侧向航向角走廊实现了单飞行器的时间约束再入制导。在此基础上分析了飞行器的时间可调范围，针对多飞行器协同再入任务设计了协同飞行时间和协同策略，实现了时间协同再入飞行。该策略考虑到再入过程中的通讯困难，避免了弹间通讯，且充分利用了飞行器纵向动力学，时间可控范围较大，更加适用于实际的再入过程。仿真结果说明了时间约束再入制导律对时间的可控性和协同策略的有效性。     

基于偏置比例导引与凸优化的火箭垂直着陆制导

凸优化由于求解效率高在飞行器轨迹规划和制导中得到广泛研究应用。但是，由于火箭垂直返回制导需要考虑气动力带来的非线性，现有的凸优化求解方法或简单地采取逐次线性化近似凸化最优控制问题，经常出现收敛性问题；或需针对具体问题进行相应的系列凸化剪裁，虽然改善了收敛性，但不同模型的凸化剪裁方法差别很大，通用性较差。为此，将偏置比例导引与凸优化相结合，用以求解存在落角、落速和推力范围约束的火箭垂直返回定点软着陆制导问题。提出的制导方法将该制导问题分解为法向满足落角与落点约束的偏置比例导引，以及切向满足速度与推力约束的凸优化和滚动时域控制制导。在切向制导中，提出利用三次多项式近似飞行轨迹以方便凸优化求解，并建立剩余飞行时间的估算方法以提供给比例导引。仿真结果表明，提出的制导方法能有效满足各种约束，实现火箭精确着陆。与现有的直接采取逐次线性化近似的凸优化方法相比，提出的方法由于将制导进行切向和法向分解，大为简化了凸优化模型，显著提高了求解效率和收敛性。此外，提出的方法无需复杂繁琐的凸化处理，对于一般的推力可控且对末速存在约束的固定终端位置的制导问题皆适用。     

舰载无人机撞网回收自适应制导技术

针对无人机自动着舰撞网回收过程中目标舰船处于运动状态的特点,借鉴导弹导引律的比例导引法提出了基于视线角的制导律,并引入反步法的设计思想以提高制导律的自适应性。基于视线角的制导律使无人机的轨迹倾斜角变化率与视线角变化率成比例,通过控制视线角来跟踪下滑轨迹倾斜角。采用该导引律可以减小无人机运动对目标舰船参数变化的敏感性,从而获得较为稳定的下滑轨迹。仿真结果表明了该制导律的可行性,并且该制导律具有较强的鲁棒性。     

一种可重复使用再入飞行器的覆盖区求解方法

针对覆盖区的三个子问题——最大纵程问题、固定纵程下最大横程问题和内边界问题,设计了求解方法。在"r-V"空间内引入约束的对数表达形式简化了再入走廊的表达,提出了将再入轨迹分为"初始下降段、边界跟踪段和终端调整段"三段设计的轨迹规划方法,通过终端调整段的设计满足了再入终点的高度要求。为了跟踪所规划轨迹,引入了准平衡滑翔条件获取解析制导律。沿走廊上边界飞行获得最大纵程点;通过平移"边界跟踪段"轨迹使其布满再入走廊,解决固定纵程下的最大横程问题,获得外边界;而沿走廊下边界飞行获得覆盖区内边界。仿真结果表明方法快速、可行,在再入飞行器性能评估、再入任务设计和再入制导律评估等环节中具有工程应用价值。     

制导炸弹发射区研究

基于小型制导炸弹(炸弹+制导)气动特性、动力学方程、制导律、目标运动模型及发射区计算等飞行数值仿真模型与算法,在炸弹发射状态一定的情况下,通过不同的炸弹轨迹倾角、偏航角和目标运动的组合,仿真计算了大量的发射区.利用仿真软件C++与Matlab,能够较为直观地比较目标在运动状态不同情况下制导炸弹的发射区和6-DOF飞行轨迹.所得结论可为制导炸弹精确打击目标提供依据,提高了制导炸弹的作战性能.     

直接力与气动力复合控制拦截弹轨迹控制

研究了直接力与气动力复合控制拦截弹的轨迹控制问题.建立了复合控制拦截弹的动力学模型,分析了不同复合方式的差别,指出了直接力对弹体运动的影响.建立了拦截弹与目标的相对运动模型,针对直接力与气动力复合控制的特殊性,基于滑模控制理论给出了轨迹控制算法,并在此基础上针对传统控制方法的缺陷,设计了脉冲发动机的点火逻辑.仿真结果表明,该方法能有效的实现拦截弹在末制导段的精确制导控制,并具有较强的鲁棒性.      

可重复使用运载器连续推力轨迹回转机动方法研究

针对可重复使用运载器(RLV)原场返回过程中所面临的轨迹回转问题,提出了一种在亚轨道高度进行姿态调整并使飞行轨迹回转、指向发射场方向的机动方法.在RLV与上面级分离之后,利用RLV自身推力抵消背离发射场速度,最终使RLV飞行方向指向发射场并进入再入返回阶段.采用连续推力方案,利用最优控制理论推导得出满足轨迹回转终端要求的机动指令.仿真结果表明,该方法能够实现RLV与上面级分离后轨迹迅速回转,可为之后的返回原发射场提供保障.     

推力突变对图像跟踪和制导的影响

研究末制导加速飞行段推力突变对图像制导导弹跟踪和制导的影响，分析了推力变化时射手滞后对导引头输出的影响，利用多媒体技术生成的虚拟战场，在不同捕获距离条件下，通过将射手作为实物进行跟踪与制导的半实物仿真，获得因推力突变引起的跟踪误差和比例系数的变化规律，结果表明，通过适当控制末制导加速飞行段推力突变的大小，可以保证跟踪稳定和弹道收敛，并使导弹的机动性大大增加。     

空天飞行器弹道/轨道一体化设计

弹道/轨道一体化设计是解决空天飞行器发射入轨和轨道转移问题的一种全新思路。针对目前存在的空天飞行器弹道/轨道一体化设计问题,通过改进非开普勒轨道方程的方法建立飞行器在连续推力、气动力、引力以及摄动力等多种力作用下的弹道/轨道一体化设计动力学模型;提出基于轨道设计反方法的弹道/轨道一体化设计方法。其创新点主要体现在：通过整合连续推力、气动力、引力以及摄动力等多种作用力达到了统一弹道/轨道模型的目的;提出了基于傅里叶级数形状方法的轨道设计方法,该方法相比于之前的逆多项式法,可以处理带推力约束的轨道设计问题;由于在弹道段采用类似于轨道设计反方法的设计思想设计弹道,使得弹道和轨道两段轨迹的设计方法也达到了统一,致使从模型和设计方法的角度都体现了弹道/轨道设计的统一性,解决了传统分段设计方法是在不同段采用不同的模型和方法,很难体现出一体化设计思想的问题。仿真分析表明本文提出的弹道/轨道一体化设计方法是可行和有效的。     

短距起飞垂直着陆推力矢量无人飞行器减速过渡控制律设计

为实现短距起飞垂直着陆(STOVL)无人飞行器在推力矢量控制下的减速过渡,研究减速过渡阶段的控制律综合设计方法.首先通过分析STOVL无人飞行器减速过渡性能,对减速过渡推力矢量控制方案进行了评估;然后采用隐式动态逆方法设计导引律,为STOVL无人飞行器按预设任务减速过渡提供可达的控制指令;最后采用改进的特征结构配置方法进行内环控制律设计,跟踪导引指令并保持姿态稳定,伴随动压降低加入姿态喷管控制,辅助气动舵面稳定姿态.由全量六自由度飞行仿真结果表明:当减速过渡速度低于最小平飞速度以后,STOVL无人飞行器依然保持良好的航迹跟踪和姿态稳定.该方法完全采用直接配置法,有利于随控布局总体方案的快速评估.      

脉冲推力矢量控制方法及对导弹弹道的影响

针对固定倾角发射的防空导弹,建立了发射段纵平面内弹道数学模型;研究了脉冲推力矢量控制对弹道转弯特性的影响,并结合实际作战过程,利用数值方法给出了一种控制参数确定算法,该算法具有较好的工程可实现性。最后分析了脉冲推力矢量控制对导弹弹道的影响。仿真结果表明,该控制方法能扩大导弹的作战空域,减小中段飞行侧向过载,较好地消除中、末交班目标视线转率,对提高拦截精度有重要意义。     

大气层外动能拦截器末制导分析

以大气层外动能拦截器拦截战术导弹弹头为研究目的，建立了拦截器的六自由度运动学，动力模型，以及拦截器的轨控和资控发动机推力特性和控制模型。提出了修正比例导引律的实现方案，进行了末制导过程的仿真，并分析了影响脱靶量的一些因素。仿真结果表明，在轨控和姿控发动机的作用下，拦截器可以直接命中目标。     

基于PID控制的垂直发射控制技术

基于对PID控制的垂直发射控制技术的研究,针对导弹的垂直发射问题,文章阐述了：①建立了气动舵,推力矢量复合控制的模型;②提出了一种能够实现垂直发射快速转弯的程序弹道指令设计方法,并设计了导弹3个通道的PID控制器;③通过对弹道进行6DOF仿真分析,验证了指令和控制器设计的正确性和有效性。     

织女－3主发动机的辨识仿真

织女－３探空火箭飞行试验与地面试验的主发动机喉径不同。提出了用辨识仿真方法提供弹道计算所需的推力数据。利用唯一的一发有效地面实验数据，以系统辨识法确定发动机工作时推进剂的基础燃速、沿金属丝燃速、综合因子和喉径的变化规律；再确定喷管效率；最后用内弹道计算和性能计算方法确定飞行发动机的地面推力数据。飞行试验表明，计算弹道与飞行试验弹道相吻合。