一种改进的运载火箭迭代制导方法

为提高运载火箭在大气层外当推力出现故障条件下制导算法的最优性、鲁棒性和适应性,提出了一种改进的迭代制导方法。该方法以基于最优控制理论推导的解析形式作为最优控制解,并推导出以5个轨道根数作为终端约束的横截条件,增强了算法的最优性;迭代过程中采用高斯-勒让德方法计算推力积分,并采用球极坐标系下泰勒多项式逼近方法计算引力积分,提高了故障模式下算法的积分精度;该算法采用降维迭代求解模式,并结合对控制变量的合理限幅,保障了推力故障条件下算法的实时性和收敛性。分别基于蒙特卡洛打靶和推力故障条件下进行仿真验证,结果验证了所提方法具有较强的最优性、鲁棒性和故障适应能力。     

迭代制导在月面上升段的应用研究

针对迭代制导在月面上升段的应用开展研究。首先对迭代制导基本原理及其在运载火箭上的应用进行了回顾,给出了月面上升段的动力学模型和迭代制导算法模型。并通过对比应用场景,深入研究了垂直起飞段和迭代制导段的衔接,提出了针对月面上升段特点、兼顾工程可实现性和燃料最优的迭代制导应用方案。对发射点参数、目标轨道参数、迭代初值的获取方式进行了讨论。最后以阿波罗12号飞船载人月面返回的任务场景为算例,进行Monte Carlo模拟打靶数学仿真验证,表明迭代制导在月面上升段具有较高的入轨精度。     

运载火箭轨迹预测制导方法研究

针对运载火箭入轨多约束需求,提出一种将迭代制导与数值积分相结合的轨迹预测制导方法,该方法计算量较小、适合箭上实时计算,能够同时满足终端姿态约束和轨道参数约束要求。探讨提高轨迹预测制导算法收敛性和实时性的工程实现方法,并分别给出解决方案;通过数学仿真算例验证了该方法的性能,结果分析表明该算法具有较高的制导精度,在增加终端姿态约束而其它条件不变的情况下,算法很好地满足了各项终端指标要求,同时增加的推进剂消耗在可接受范围内。     

一种基于轨道要素形式终端约束的航天器空间变轨迭代制导算法

针对航天器空间变轨任务的制导问题,研究了一种适用的迭代制导算法。在传统迭代制导方法的基础上,直接在地心惯性系中建立最优控制模型,以推力方向矢量为控制量来适应大姿态角变化情形;推导直接以目标轨道要素为终端约束的边界条件,给出终端约束方程求解精度和入轨精度的关系;得到一种简单有效的基于轨道要素形式终端约束的航天器空间变轨迭代制导算法。通过仿真验证了所给制导算法的有效性,相比传统迭代制导方法其具有更强的适应性。     

基于匹配渐进展开的跳跃式再入解析预测-校正制导律设计

为了适应低升阻比飞行器再入返回的大航程要求,针对大气跳跃再入飞行环境复杂并难以直接获得解析解的特点,基于匹配渐进展开法设计了一种跳跃式再入解析预测-校正制导方法。首先分析了低升阻比飞行器大气跳跃再入轨迹的飞行剖面和制导分段方法;然后分别推导了其运动方程以重力作用为主导的外解和以气动力作用为主导的内解的渐进展开形式,并通过匹配获得了统一的封闭解析表达式;接着基于此解析解实时预测飞行器的剩余航程,并通过不断迭代升阻比垂向分量以满足最后的落点精度;最后针对跳跃再入飞行的不同阶段设计了不同的制导策略以获得最终的倾侧角指令。仿真结果表明采用跳跃式再入返回技术,阿波罗指令舱的航程能够达到8 348 km,而解析预测-校正制导律的落点精度为0.338 km,证明了此方法的有效性。     

基于阻力加速度倒数剖面的再入轨迹规划与制导方法

针对升力式飞行器再入制导问题,提出了一种基于阻力加速度倒数剖面的在线解析规划与制导方法。首先将过程和终端约束转换成阻力加速度倒数形式的飞行走廊,采用三次样条函数描述倒数剖面。然后通过解析计算航程上下界,利用待飞航程在倒数剖面内的近似线性关系,以满足待飞航程为目标,迭代计算得到阻力加速度倒数剖面;在飞行过程中根据当前状态和实际待飞航程,周期性更新阻力加速度倒数剖面。通过对阻力加速度剖面的跟踪进行纵向制导,解算倾侧角指令;通过倾侧角反向来进行侧向制导,限制航向角偏差。实现了再入轨迹的在线快速生成与更新,并利用阻力加速度动态特性,将其与跟踪制导结合,提出的方法效率高,适应性强,有工程应用的潜力。     

运载火箭入轨段的自抗扰预测制导方法

运载火箭的入轨段运动对入轨精度的影响很大,为避免扰动干扰,提出了一种自抗扰预测制导方法。首先,基于运载火箭三自由度模型,引入平均重力场、简化终端约束的处理形成了改进的轨迹规划算法,加快了收敛速度,能够适应在线轨迹规划的需要。然后,设计了自抗扰轨迹跟踪器,与在线轨迹规划算法结合形成了自抗扰预测制导方法。数值仿真结果表明,所提自抗扰预测方法在应对推力故障及其他典型偏差干扰时均有较高的入轨精度和鲁棒性,可为运载火箭入轨段制导控制系统的适应性提供参考。     

显式制导下定位定向误差的影响分析

建立了定位定向误差对显式制导精度影响的解析模型,提出了利用标准弹道参数估算定位定向偏差对制导精度影响的近似解析方法.结果表明,该方法计算精度高、速度快,可以满足显式制导下定位定向误差影响分析的需要.     

亚轨道飞行器上升段制导方法研究

为了更好地满足亚轨道飞行器的制导任务需求,基于亚轨道飞行器面对称的升力体外形,采用直线斜率形式的迎角变化规律,改进了现有的运载火箭制导方法。把直线斜率形式和指数形式的迎角变化规律对弹道的影响进行了对比。结果表明,直线斜率形式的迎角变化规律相对于指数形式的迎角变化规律具有转弯段时间可调性强、转弯效率高的优点,该项研究为相关领域研究提供了理论参考。     

一种变射面飞行导弹的弹上迭代制导方法

针对变射面飞行的弹道导弹,制导方法需要满足射面变换起控点的位置、速度和姿态要求。提出了一种变射面飞行导弹的弹上迭代制导方法,以各射面弹道终点的弹道倾角为约束,弹上迭代计算虚拟目标和需要速度,求取导引姿态角进而进行导引控制。仿真算例表明,该制导方法能够实现变射面飞行的制导控制要求,且方法误差较小。     

基于闭路制导的弹道导弹发射诸元的仿真算法

提出了一种基于闭路制导的弹道导弹的发射诸元算法.给定发射点与瞄准点的地理位置,以压低弹道为目标,通过一种迭代方法求解关机点弹道倾角,并基于地球引力级数展开模型提出了一种虚拟目标的快速计算方法,以主动段弹道平面和被动段弹道平面二面角为指标完成了发射方位角的迭代计算,最后通过仿真算例论证了该算法的可行性.     

重复使用飞行器金属热防护系统的有限元分析与设计

金属基热防护系统具有轻质、耐用、可操作性、成本高效等特点,是实现降低重复使用飞行器费用的一个关键技术。通过比较分析超耐热合金防热板和改进型防热板,给出了金属热防护系统的各个部分的设计准则。建立了蜂窝夹芯板和纤维隔热毡的有效热导率的数值预报模型,算例研究表明本文给出的数值预报方法正确。使用二维热分析模型和三维承载分析模型,实现了传热和承载分析的迭代计算,算例表明迭代方法有效、可行,可用于可重复使用飞行器金属热防护系统的分析与评价。     

New low cost avionics with INS/GPS for a variety of vehicles

Development of a new vehicle avionics suite is described, including integration of a low-cost, tightly-coupled integrated Inertial Navigation System/Global Positioning System (INS/GPS) to support vehicle guidance, navigation, and control (GN&C). A wide variety of next-generation low-cost launch vehicles could potentially benefit from integrated INS/GPS technology for GN&C and/or range safety applications. Coleman Aerospace Company (CAC) has developed a new low-cost avionics suite, the generic Integrated Mission Guidance & Tracking System (IMGTS), an open architecture, modular system that supports the requirements for various guidance applications and range safety tracking. As part of this development, Boeing North American, Inc. is supplying its Modular Miniature Integrated GPS/INS Tactical System (M-MIGITS^TM) Military-Off-The-Shelf (MOTS) INS/GPS product to support CAC's IMGTS GN&C     

垂直起降重复使用运载器返回制导与控制

针对垂直起降可重复使用运载器返回全程非线性、高动态、强扰动、多约束条件下的精确着陆问题，开展适应各飞行段任务特性和需求的返回全程制导控制方法研究。首先分析返回全剖面各飞行段的特点及对制导控制的需求，建立了动力学模型；然后基于经典制导控制方法给出可行的返回全程制导控制方案，并针对其不足分别设计修航段基于剩余时间估计和几何关系目标点自适应更新的双层迭代制导、返回末段多约束自适应制导和返回全程自抗扰控制器，构建了自适应强抗扰新型返回全程制导控制方案；最后进行了数学仿真，通过对比分析经典制导控制方案和新型制导控制方案在小偏差/扰动和大偏差/扰动两种条件下的飞行状态，验证了新型制导控制方案下更高的着陆精度、更强的适应性和抗扰性。     

新一代运载火箭

综述了国内外运载火箭的现状 ,指出了国内运载火箭技术上的差距以及研制新一代运载火箭的必要性与基本思路 ,提出了新一代运载火箭的总体技术方案 ,并对方案论证与工程实施中的几个主要问题进行了探讨     

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。     

Autonomous mission reconstruction during the ascending flight of launch vehicles under typical propulsion system failures

In recent years, Chinese Long March(LM) launchers have experienced several launch failures, most of which occurred in their propulsion systems, and this paper studies Autonomous Mission Reconstruction(AMRC) technology to alleviate losses due to these failures. The status of the techniques related to AMRC, including trajectory and mission planning, guidance methods,and fault tolerant technologies, are reviewed, and their features are compared, which reflect the challenges faced by AMRC technology...     

可重构的卫星/运载复用电子系统设计

采用小型运载器能够降低卫星发射成本,针对小型运载器运载能力有限的情况,通过卫星与运载电子系统特点分析,提出可重构的卫星/运载复用电子系统设计方案。该方案采用基于总线的混合结构,并将可重构计算技术应用于中心计算机的设计,利用片上可编程系统（SOPC）、软硬件协同设计以及硬件描述语言（HDL）设计等技术完成系统功能。通过对现场可编程门阵列（FPGA）的重构,星载计算机实现对运载器与卫星的控制与管理,并能够进行故障处理及在轨升级。构建地面实时仿真系统并进行仿真测试,得到重构时间在（500±40）ms范围内、〖JP〗控制周期可达10 ms的仿真结果,验证了本文所提出方案的可行性与系统重构的有效性。通过硬件的分时复用,复用电子系统能够有效降低发射成本,并解决系统资源、多功能与高性能需求之间的矛盾。     

叉形环与球形箱底环形焊接夹紧机构设计

通过分析新一代运载火箭叉形环与球形箱底环形焊接的结构特点,针对其研究了一种新型的焊接夹紧机构。介绍了机构的组成与工作原理,分析了夹紧机构的可靠性。该焊接夹紧机构有效地实现了叉形环与球形箱底焊接夹紧定位,满足了新一代运载火箭的焊接工艺要求。     

Enhanced space integrated GPS/INS (SIGI)

Safe, reliable, and low cost space-based navigation is being provided with embedded INS/GPS systems such as the space integrated GPS/INS (SIGI). The SIGI is being used for various space vehicle applications such as launch vehicles, orbital vehicles, and re-entry vehicles. This paper describes current space vehicle navigation capabilities. The SIGI is being enhanced to provide additions to these existing capabilities with such items as higher processing and a commercial-off-the-shelf operating system. This will allow hosting of various software applications such as advanced navigation functions, flight control, guidance and vehicle management algorithms. The SIGI can host redundancy management functions by incorporating a cross channel data link card (CCDL) using a high speed firewire bus. The SIGI can then be used as a redundancy management platform which has application to current space vehicle avionics topologies incorporating distributed processing architectures