大跨时空任务背景下的太阳能无人机任务规划技术研究进展

通过任务规划技术合理的优化太阳能无人机的飞行轨迹和动力学参数，能够有效提高太阳能无人机的能量利用率，使其胜任许多大范围跨时间跨空间飞行任务。从能量建模、续航评估和能量管理策略3个方面对大跨时空任务背景下太阳能无人机任务规划技术的研究进展进行了综述。在能量建模方面，介绍了当前主流的太阳辐射模型和能量生产基本框架；在续航评估方面，分析了目前的指标设计和应用方法；在能量管理策略方面，从能量综合应用、风力滑翔机制、轨迹优化方法和面向特定任务的应用4个角度，梳理了当前的研究现状。最后，对该领域未来可能的研究方向进行了展望。     

众多临近空间飞行器的最优轨迹规划

针对众多临近空间飞行器在复杂飞行环境的最优轨迹规划问题,采用改进的动态规划法和基于共轭梯度法的多点边值组合算法求解了多目标优化问题,得到了全部飞行器的最优飞行轨迹.仿真结果表明,该算法能够在考虑多种环境条件约束和飞行器自身条件约束的情况下,快速规划出众多飞行器的最优飞行轨迹,具有一定的学术价值和工程应用价值.     

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。     

城市风场环境中的无人机快速航迹规划方法

密集的城市障碍环境以及复杂的城市风场干扰对航迹规划的实时性和航迹跟踪的准确性提出了严格要求,为此提出一种城市风场环境中的小型无人机(UAVs)快速航迹规划方法。首先,为了保证航迹规划的高效性,对固定翼无人机运动学方程进行了合理简化。其次,由于障碍环境中的最优航迹难以直接完全塑造,因此根据状态受限的最优控制理论给出了可以使用螺旋线与直线构建近似最优航迹的结论,并据此提出了一种针对城市环境的三维航迹规划方法。然后,通过对无人机运动学模型的分析,从规划角度提出了风场干扰下的航迹设计准则。仿真实验中,首先通过算法对比实验,验证了航迹规划方法的高效性;然后使用六自由度(DOF)飞机模型分别在无风场干扰和有风场干扰的环境下进行了航迹跟踪实验,实验结果证明了风场干扰下航迹设计准则的有效性。     

地形跟随系统中最优飞行参考轨迹的线性规划算法

结合飞机地形跟随的实际,首先提出了在构造最优期望的地形跟随飞行轨迹时确定地形模型包线的方法。然后通过引入松驰变量,剩余变量和人工变量,构造辅助目标函数Z1,以及应用换基运算,对线性规划问题进行了必要的简化,使参考轨迹的计算更简便。航迹角修正法的采用,进一步修正了规划出的飞行轨迹,从而获得了理想的飞行参考轨迹。最后,以随机地形为例对规划出的最优飞行参考轨迹进行了数字仿真,其结果符合地形跟随时最优参考飞行轨迹的要求。     

净升力对临近空间浮空器上升航迹的影响分析

基于临近空间浮空器动力学与热力学耦合关系,研究分析上升过程飞行航迹与内部气体热性能。建立临近空间浮空器初始充气量模型、热模型和上升过程动力学模型,通过飞行试验验证了数学模型的准确性。仿真计算了某高空科学气球的上升航迹,得到了气球净升力对爆破高度、速度等飞行航迹性能参数的影响,分析了参数变化规律与变化原因。研究结果表明,随着净升力的增加,爆破高度迅速降低,而气球上升速度逐渐上升,且上升速度的增大比爆破高度的减小相对于净升力的变化更加敏感,表明气球的净升力对航迹性能参数存在重要影响。研究结果可为临近空间浮空器设计、试验和应用提供理论参考。     

太阳能飞机能量平衡建模

能量平衡是太阳能飞机设计工作的核心和难点。基于太阳能飞机能量原理,结合太阳辐射模型和太阳能飞机典型飞行剖面开展太阳能飞机能量平衡建模研究。根据太阳能飞机起飞-爬升-巡航阶段和持续跨昼夜飞行阶段的飞行剖面和能量需求,分别建立了各阶段的能量平衡模型,给出了各时段的能量特性计算方法并对傍晚下滑阶段的多种飞行情况进行了分类讨论。最后以某太阳能飞机为例对本文所建立的起飞-爬升-巡航能量平衡模型和持续跨昼夜飞行能量平衡模型进行了验证。     

突风对着陆飞机下滑飞行的安全性影响

突风会引起飞机过载和飞行状态的改变,威胁飞机飞行安全。在飞机六自由度运动学方程的基础上,根据下滑飞行中驾驶员操纵行为的特点建立了飞机驾驶员的数学模型,并考虑突风的影响,建立了“驾驶员-飞机-突风”闭环飞机的数学仿真模型。通过引入飞机飞行安全性的量化评估理论以及表征方法,并根据飞机的飞行状态对飞机的安全性进行量化分析。选取某型飞机着陆下滑过程中进入突风风场的飞行状态进行仿真研究,结果表明风会改变飞机的气动角和空速,导致飞机的过载及飞行轨迹发生变化,尤其在飞机飞行高度较低时,风扰引起的大 但目前的研究主要集中在以阵风减缓设计为目的的 迎角姿态和飞机飞行轨迹变化将威胁飞机的飞行安全。     

基于重力储能的太阳能飞机飞行轨迹研究

基于重力储能原理,研究了太阳能飞机变高度飞行轨迹及其应用效果。描述了变高度轨迹的具体组成部分及各部分的运动方式,建立了各部分轨迹和时间节点的物理数学模型,提出了适用于变高度轨迹的太阳能飞机总体参数设计方法。得到了给定设计指标下的飞行轨迹和需用功率曲线,并与定高度轨迹对比,研究了相关技术参数对变高度轨迹应用效果的影响。研究结果表明：变高度轨迹可以有效减小储能电池放电时间和机翼面积;对于不同设计高度均存在最优的爬升高度,使得机翼面积最小;设计高度越高,设计日期越偏离夏至日,储能电池能量密度越小,推进系统功重比越大,变高度轨迹的应用效果越明显。     

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。     

RLV末端能量管理段轨迹实时生成算法研究

采用类似于航天飞机的末端能量管理段飞行轨迹结构,将可重复使用空间飞行器(RLV)飞行轨迹分为搜索飞行、航向校正以及预着陆飞行三段进行待飞距预测,并利用三次多项式表示飞行器高度-待飞距剖面。通过调节航向校正锥位置和半径的方法调整待飞距,提出了RLV末端能量管理段飞行轨迹的实时生成算法。该算法考虑了整个末端能量管理飞行阶段的轨迹约束,给定末端能量管理段的起始条件,能实时筛选并生成一条满足要求的参考轨迹线。计算结果验证了该方法的合理性。     

基于DSAS算法的直升机贴地飞行在线航迹规划

通过改进优化传统A*算法,利用动态稀疏A*搜索(DSAS)算法在线设计了直升机贴地飞行轨迹.该算法采用逆向搜索方式规划航迹,在遇到新生探测威胁时,只需局部调整受到影响的航迹,减少了重新规划的范围,提高了搜索效率.此外,在生成节点时考虑了直升机性能及飞行约束,优化了搜索范围;并且根据影响贴地飞行航迹性能的各种因素,设计了航迹代价计算方法;利用层次分析法结合专家分析计算得到最优代价权值.仿真结果表明,该方法在线设计的飞行轨迹能够较全面地满足避障、贴地功能,相比稀疏A*搜索(SAS)算法节省了计算时间.     

基于改进GPC的无人直升机动态路径规划

针对小型无人直升机航迹受到风场扰动和导航系统定位误差影响下的航迹最优规划问题,建立了风扰动和导航误差影响下的飞行航迹线性模型。基于混合整数规划思想,采用粒子滤波改进广义模型预测控制算法实时规划航迹,降低了导航定位误差造成的航迹估计偏差,提高了航迹估计精度。仿真结果表明,该算法能够生成三维可行航迹并躲避障碍物,且规划时间和无人机能耗较传统方法显著减少。     

利于冬季飞行的太阳能飞机构型研究

针对冬季太阳辐射强度较弱的问题,提出并研究了一种新型太阳能飞机构型。概述了太阳能飞机的总体构型,建立了太阳辐射和能源动力系统模型,对飞机的气动、能量、质量及机翼最优偏转角等特性进行了分析,给出了适用于该构型太阳能飞机的总体参数设计方法,并对构型设计参数进行了研究。结果表明:机翼偏转角的存在可有效提高太阳能飞机所接收的太阳辐射能量。综合考虑太阳辐射能量和推进系统质量,机翼最优偏转角在7.4°~9.5°之间,其随时刻变化;端板最优展弦比为5左右,端板与机翼的最优面积比为0.09,端板最大许用升力系数的最优值为1.1。新构型太阳能飞机总面积比常规构型减小44.2%,其优势明显。     

基于成本指数的民机四维航迹预测优化算法

近年来,四维轨迹预测与优化功能成为了飞行管理系统(Flight Management System,简称FMS)技术的研究热点。航迹预测结果的准确性直接关系着飞机的参数指标,同时也关系着飞机运行的经济性,甚至决定飞机的安全性。从飞机运行的成本角度出发,根据运行成本建立飞机运行的代价函数模型,分别对巡航阶段的速度和高度建模,将代价函数作为优化对象对四维航迹预测结果进行优化,总结出一套最经济巡航速度以及最经济巡航高度的计算方法,为民用飞机四维航迹预测的优化提供了切实可行的理论参考。     

计算航路上飞行冲突概率的一种方法

针对飞机在航路飞行时航迹变化的一般情形,考虑预估航迹可能存在的各种误差,修正了航迹改变后的航迹预估误差协方差矩阵,用于改进了的三维飞行冲突概率计算方法.最后用Mome-Carlo.方法验证了计算结果的正确性并对结果进行了分析.     

高空长航时太阳能无人机总体设计要点分析

高空长航时（HALE）太阳能无人机（UAV）的基本工作原理与常规动力飞机相比有显著的区别,体现在飞机总体设计方法上有其独到之处,方案设计中还需要对一些关键技术细节进行认真权衡。阐述了高空长航时太阳能无人机总体设计中遵循的重量不变和能量平衡原则的机理,同时从太阳能无人机巡航平飞功率需求、布局形式选取、飞行剖面优化和临近空间使用环境影响等方面出发,研究了太阳能无人机总体设计中的若干注意事项,主要结论可用于高空长航时太阳能无人机总体设计和方案优化。     

基于物理规划的高超声速飞行器滑翔式再入轨迹优化

 轨迹优化是新型高超声速滑翔式再入飞行器方案设计的关键技术之一。物理规划方法能够以较低的计算代价获得设计者偏好的多目标优化问题的折中解。基于该方法研究滑翔式再入最优飞行轨迹。首先介绍物理规划方法求解多目标优化问题的数学模型,然后将考虑射程最大、热载最小、热流密度峰值最小和弹道最稳定4个目标的再入最优轨迹问题纳入物理规划的框架求解。以某带翼锥形再入飞行器为例,通过计算并分析单目标优化结果,确定具体的偏好结构,采用遗传算法求解了考虑热流、过载、动压和终端条件约束的多目标最优轨迹。优化计算结果验证了物理规划方法的有效性。分析了沿最优轨迹飞行的物理原因和基本迎角控制规律,可为滑翔式再入飞行器的最优轨迹方案设计提供依据。     

RLV投放轨迹飞行动力学特性分析

根据投放任务要求设计缩比可重复使用空间飞行器(RLV)投放轨迹，并建立飞行动力学基本分析框架。其中包括对轨迹进行参数灵敏度分析和沿轨迹的操稳特性分析。灵敏度分析则包括飞行终端状态参数受模型变化、投放条件、操纵参数、风场等内外扰动影响的分析。稳定性分析包括静稳定性和失速／偏离判据以及模态特性分析；操纵性分析包括考虑平衡、增稳和机动性余量三方面的要求。以上工作为导航和控制设计奠定了重要基础。     

基于参数化轨迹的TAEM段在线制导方法

针对可重复使用运载器末端能量管理阶段的在线轨迹生成与制导问题,研究了一种基于参数化轨迹描述且不依赖在线积分推演与气动辨识的三维轨迹预测-校正制导算法。首先,设计了由动压上边界、下边界和最大能量边界构成的动压包线,由一个参数对包线内的动压剖面进行描述,采用离线计算的方式预先获得飞行航程随动压剖面参数、倾侧角和能量高度变化的关系并存为三维数表。随后,根据当前状态和地面航迹参数计算得到各飞行阶段地面航程信息,在待飞航程的预测中,考虑侧向机动的航程损失和模型偏差影响,采用分段查表和在线估计航程修正系数的方法对预测航程进行了两次修正。最后,研究了约束条件下的多轨迹参数连续更新策略,以保证消除航程偏差的同时轨迹具有适宜性。仿真结果表明,该方法对于初始位置、能量状态散布不敏感,其末端位置控制精度保持在米级。完成单次轨迹预测-校正的时间不超过2.3 ms,拥有较高的在线预测效率,对突发故障造成的模型偏差具有较强的适应能力。