联立法求解月面上升段最优轨迹的快速收敛控制技术

为了更好地解决复杂约束下的航天器月面上升段在线轨迹规划问题,提出了一种求解最优轨迹的联立框架。首先利用有限元正交配置法将状态变量和控制变量完全离散化,得到一个非线性规划命题。考虑到命题中含有较多的不等式约束并且会随着有限元的增加而增加,故采用内点算法对非线性规划命题进行求解。离散化后的非线性规划命题的规模大幅度增加,导致了优化计算难度的加大和求解时间的增加,为了便于联立法的在线应用,采用收敛深度控制策略从平衡解的精度和计算效率的角度来改进优化算法的实时性。以某航天器载人返回任务月面上升段场景为算例进行仿真,结果表明基于联立法求得的最优控制量序列得到的飞行轨迹满足轨道根数的精度要求,同时利用收敛深度控制策略可以实现快速收敛控制。     

二级入轨航天运载器最优分离飞行状态研究

研究水平起降二级入轨航天运载器分离飞行状态（飞行高度、轨迹倾角、马赫数）对轨道器在分离点处的质量（包括结构质量、燃料质量等）的影响。主要内容包括：针对以火箭发动机为动力的轨道器，建立了上升段运动方程。采用静态可变误差多面体算法加上动态共轭梯度法数值优化了轨道器上升段轨迹，优化的性能指标是分离点处轨道器的总质量最小，初始条件受到载机上升段走廊的约束，终端约束是某指定的目标轨道。对分离状态与轨道器总体方案（升阻比、推力、比冲等）对轨道器总质量的影响作了大量数值仿真。针对某飞行器模型，得到了一组最优分离飞行状态。拟合出估算分离状态对轨道器总体方案的影响计算公式。得到了合理选择分离飞行状态的结论。     

运载火箭动力故障下的自主救援轨道规划

针对运载火箭上升段出现动力下降故障的问题,提出了一种基于二阶锥规划方法的在线救援轨道规划策略与飞行轨迹重构算法。根据故障大小设置不同的终端条件,规划合适的救援轨道;同时为了方便求解,设计了新的控制量,然后采用逐次凸化、线性化和梯形离散等方法,将原始规划问题转化为序列迭代求解的二阶锥规划问题。仿真结果表明,所提策略及算法能够满足动力系统故障后的在线救援轨道规划和飞行轨迹重构需求。     

基于伪谱法的亚轨道返回轨迹在线重构方法

任务目标的多样化要求亚轨道飞行器具备在线重构能力.根据飞行器当前飞行状态以及终端约束条件,使用勒让德伪谱法进行在线轨道重构,生成满足各种轨道约束的最优返回轨迹,并实时反馈更新当前轨道控制量迎角和倾斜角,达到实时最优闭环制导的目的.轨道重构的实时性可采用无量纲化、Bootstrap串行优化、弹性约束和自适应反馈更新等策略加以保证.仿真结果表明,在线轨道重构可以满足实时性要求,即使出现严重的阵风干扰,也能达到所要求的终端约束条件,并且制导指令不会出现增加控制难度的剧烈抖动现象.     

基于多子人口群协作进化的拦截轨道优化

针对基本遗传算法对航天器拦截轨道数值优化计算效率较低的问题,提出了一种新的基于多子人口群协作进化的算法。使用子人口划分技术提高了人口多样性防止早熟,用免疫算子减小搜索空间,两者都加速了进化计算过程。应用此算法求解了具有推力约束和拦截时间约束使燃料消耗量最小的航天器拦截轨道,并分析了其与基本遗传算法的不同。通过航天器拦截轨道仿真表明,该算法优于基本遗传算法,可用较少的计算时间得到全局最佳解,提高了航天器拦截轨道优化的计算效率。     

基于间接法的上升段轨迹优化方法研究

固体火箭上升段轨迹优化设计具有重要的工程意义.针对此问题,提出了一种求解上升段最优轨迹的可行方法.在零侧滑角假设下构建飞行器模型,以推力方向为最优控制量,根据极小值原理推导一阶最优条件.采用间接法,将真空条件下上升段最优轨迹的解作为初值,以状态响应方程构造一种迭代的方法,最后在满足攻角过程约束下,通过同伦算法获得真实大气环境下的最优轨迹.仿真结果表明,该优化算法能够稳定收敛,具有良好的鲁棒性.     

一种实时飞行轨迹重构方法

提出一种有效的实时纵向飞行轨迹重构的新方法。为了得到状态估计的快速算法,本文把非线性飞行轨迹重构转化为线性、离散、时变状态和参数估计问题。将数值稳定性好、计算量也小的序列U-D分解滤波算法用于状态方程为线性、观测方程为线性或非线性的滤波问题中。由于测量值中常常含有系统偏差,本文把这些偏差作为增广状态加入增广状态模型中,并利用模型的一些特点,提出偏差分离的U-D分解算法,使计算量大大减少。仿真和实际试飞数据计算表明、本文的方法可得到比平方根协方差滤波更有效的实时飞行轨迹重构结果。     

基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算无控航天器轨道衰降研究

针对低地球轨道航天器服役期满离轨陨落、特别是功能失效处于无控飞行的航天器轨道衰降难以模拟的问题,在航天器轨道动力学方程直接积分计算框架中,把稀薄气体动力学与轨道动力学结合起来,发展了基于跨流域空气动力精细数值模拟驱动的低轨航天器气动特性一体化快速算法,提出了无控航天器轨道衰降失稳自旋飞行姿态等效迎角模拟法,初步建立了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分高精度计算模型。对大型航天器A受控陨落开展计算分析,验证了本文发展提出的轨道计算、气动力一体化计算方法正确性与高精度。在大型航天器B无控失稳自旋飞行轨道衰降计算分析中,得到了与外测轨道星历数据吻合一致的长弧段和短弧段预报结果,在停止外测轨道数据供给5 h内,地心惯性系位置预报偏差低于1.5 km,验证了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算模型对无控航天器轨道衰降预报的合理性。     

基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道设计

针对地月空间货运任务和环月轨道空间设施建设任务,提出一种弹道逃逸和小推力捕获相结合的新型地月轨道转移模式,并建立了一整套该类型轨道设计方法。首先,在三体模型假设下分别建立地心弹道逃逸轨道和月心小推力捕获轨道的二维极坐标动力学模型。对于弹道逃逸轨道,将地心旋转系对准角和地月转移加速速度增量作为控制变量,提出初值估计解析公式,并应用序列二次规划算法进行快速求解。对于小推力捕获轨道,以月心距为参考量设置与弹道逃逸轨道的拼接点约束,提出能量匹配方法预估飞行时间,采用最优螺旋轨道的初始伴随状态解析式预估近月点伴随变量初值。基于混合法和轨道逆推思想,采用人工免疫算法进行小推力捕获轨道求解。仿真结果表明,基于弹道逃逸和小推力捕获的地月轨道转移方式大幅降低了近月制动燃料消耗,能快速穿越地球辐射带,且飞行时间适中;同时,提出的轨道设计方法能快速搜索到基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道,验证了该方法的有效性。     

基于混合粒子群算法的上升段交会弹道快速优化设计

基于梯度搜索的高效性和粒子群搜索的随机性,提出了一种混合粒子群算法,并应用该算法研究了运载火箭上升段交会弹道快速优化设计问题.以运载火箭与目标飞行器在交会时刻的距离最小为目标函数,设计了运载火箭飞行程序,建立了运载火箭上升段交会弹道优化模型,同时分别采用混合粒子群算法、遗传算法和粒子群算法进行求解.仿真结果表明:基于本文算法对运载火箭上升段交会弹道进行优化设计,平均交会位置误差为4.137m,较遗传算法减少了17.940m,平均优化耗时488.922s,较粒子群算法缩短了2342.125s.混合粒子群算法搜索速度较快,收敛精度较高,可用于运载火箭上升段交会弹道的快速优化设计.      

基于TH方程的椭圆轨道交会偏差分析

研究了考虑闭环控制偏差的椭圆轨道交会问题。基于推导的状态转移矩阵,采用线性协方差分析方法对交会椭圆轨道目标过程的导航偏差和控制偏差进行了分析,建立了闭环控制状态偏差和协方差的递推模型,给出了一种改善交会制导精度的修正算法。通过蒙特卡洛打靶仿真对线性协方差分析结果进行了验证,结果表明,本文所提出的偏差分析方法和修正算法精度较高,可用于椭圆轨道交会问题的研究。     

雷暴天气下的仪表进近航段航线规划研究

雷暴天气会对飞机运行安全产生严重影响,在进近航段中若遭遇雷暴天气会造成改航不经济、实时性差、效率低等问题,采用改进的动态窗口法（DWA）对雷暴天气下的进近航线进行仿真规划。算法前期通过建立DWA 下的飞机运动模型及人为设定雷暴轨迹进行模拟仿真,验证算法躲避雷暴改航仿真的功能性;通过对案例中的雷暴位移坐标进行时间相关的拟...     

空间平台机动变轨自主导航研究

针对空间平台在高轨道机动变轨过程中自主导航的需求,采用了基于Kalman滤波器的捷联惯导与星敏感器的组合导航方案。结合Kalman滤波中协方差更新的误差分配分析方法,分析了影响空间平台状态估计误差的主要因素。采用适用于高轨道的球谐重力模型,运用STK工具包设计了变轨机动轨迹,将该轨迹应用于组合导航方案的仿真验证。仿真结果表明,量测噪声是影响空间平台姿态精度的主要因素,加速度计零偏对变轨过程速度精度有决定性影响,改善两者的精度可以实现空间平台机动变轨的高精度自主导航。     

FMS巡航阶段的垂直轨迹预测算法及应用

飞机的飞行过程涉及多个垂直飞行阶段,巡航阶段占了绝大部分的飞行时间、飞行距离及燃油消耗,研究飞行管理系统（FMS）巡航阶段的垂直轨迹预测算法,对于提升飞行的经济性、舒适性、安全性是非常重要和必要的。为了满足不同类型飞机之间巡航阶段垂直轨迹预测算法的通用性,提高垂直轨迹预测的精确度和可信度,提出一种适用于巡航阶段的垂直轨迹预测算法。首先,通过计算巡航阶段的速度剖面,构建预测过程中更加符合实际的大气模型;然后基于第一性原理（第一法则）的飞机模型计算所需的巡航燃油流量数据,通过设计的巡航阶段垂直轨迹预测算法逻辑,给出巡航阶段预测的垂直轨迹;最后通过地面仿真试验和空中试飞验证算法的有效性与准确性。结果表明：本文提出的基于第一性原理飞机模型的FMS 巡航阶段垂直轨迹预测算法能够预测飞机的巡航轨迹,且预测精度误差低于1%。     

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     

基于高斯伪谱法的吸气式高超声速飞行器爬升弹道优化研究

吸气式高超声速飞行器爬升弹道设计是其总体设计的一个重要问题。这里提出一种基于高斯伪谱法的弹道优化方法,用于解决该问题。以末端弹道倾角为性能指标,飞行攻角为设计变量,建立了飞行器纵平面弹道优化模型。通过高斯伪谱法对状态变量和控制变量进行离散,将最优控制问题转化为非线性规划问题,再利用序列二次规划算法对其进一步求解。仿真结果表明,该方法收敛域大,对初值不敏感,设计精度高,是吸气式高超声速飞行器方案弹道优化的重要方法。     

基于混合优化的运载器大气层内上升段轨迹快速规划方法

针对运载器大气层内的最优轨迹快速规划问题,提出一种将求解最优控制问题的间接法与直接法相结合的混合优化方法。首先,基于最优控制问题的一阶必要条件,将运载器大气层内的三维最优上升问题转化为Hamiltonian两点边值问题;然后,采用直接法中能以较少的节点获得较高求解精度的Gauss伪谱法进行求解,提高算法的求解效率;最后,采用真空解析解初值及密度同伦技术,解决初值猜测与算法收敛困难的问题。仿真结果表明,混合优化算法能够准确、快速地对运载器大气层内的最优上升轨迹问题进行求解,并在计算精度与效率上均优于间接法,可应用于运载器的轨迹在线规划与闭环制导。     

Robust adaptive fault-tolerant control of a tandem coaxial ducted fan aircraft with actuator saturation

This paper is concerned with the robust adaptive fault-tolerant control of a tandem coaxial ducted fan aircraft under system uncertainty, mismatched disturbance, and actuator saturation. For the proposed aircraft, comprehensive controllability analysis is performed to evaluate the controllability of each state as well as the margin to reject mismatched disturbance without any knowledge of the controller. Mismatched disturbance attenuation is ensured through a structured H-infinity controller tuned by a non-smooth optimization algorithm. Embedded with the H-infinity controller, an adaptive control law is proposed in order to mitigate matched system uncertainty and actuator fault. Input saturation is also considered by the modified reference model. Numerical simulation of the novel ducted fan aircraft is provided to illustrate the effectiveness of the proposed method. The simulation results reveal that the proposed adaptive controller achieves better transient response and more robust performance than classic Model Reference Adaptive Control (MRAC) method, even with serious actuator saturation.