在地球极区无奇异的再入飞行器质心运动方程

传统的再入飞行器质心运动方程用经度和纬度描述地理位置，在南北极极点处奇异，在南北极区病态。本文提出利用位置矢量的三个方向余弦，称为“三余弦数”或“三元数”，代替经纬度，推导出无奇异再入质心运动方程。再入飞行器临近极点和到达极点的算例显示，使用三元数的无奇异再入方程完全避免了传统方程有关极点的奇异性。同时，无奇异方程所选状态变量与传统方程可进行很简便的转换。     

具有落点和落角约束的圆轨迹制导律

针对再入飞行器带终端约束的末制导问题,在二维平面内设计了一种新型圆轨迹制导律。首先,利用再入飞行器与目标相对几何关系对圆轨迹制导方法进行运动学分析。再通过对制导任务的分析,定义了两个圆轨迹跟踪误差变量,并基于此提出误差反馈导引方法。然后,得出闭环圆轨迹制导律,并对制导指令分量的具体含义进行了分析。最后,对该制导算法的有效性进行了仿真验证。仿真结果表明：此算法可用于末端大角度转向飞行,有效提高再入飞行器的作战效能;并且制导精度高,其中命中点误差和碰撞角约束误差都很小。     

再入弹道解析算法在新型制导律上的应用研究

提出了一种再入飞行器新型预测制导方法。在弹道始端,所有方向的总升力组成一个垂直于再入体速度的平面,称该平面上任意方向的速度增量引起预测落点的变化矢量为虚位移。通过对最优虚位移的搜索,获得总升力的最佳方向。然后,针对该制导方法需要预测弹道落点这一情况,给出了再入弹道的解析解。最后,将具有模型简化误差的解析弹道算法应用到该制导律中,仿真发现:经制导控制后最终落点误差从40公里减小到10米。结果表明:在解析法再入弹道存在模型简化误差的情况下,该制导律仍然可以执行。     

固定时间收敛的再入飞行器全局滑模跟踪制导律

针对再入飞行器模型强非线性、强耦合、快时变和不确定性的特点,以及再入飞行过程中复杂多变的飞行环境,本文提出了一种具有强鲁棒性的全局滑模跟踪制导律设计方法。首先,给出存在干扰的无动力飞行三自由度再入制导模型,以采用经度作为标准参考轨迹的插值因变量为例,将三变量的轨迹跟踪任务转化为对高度和纬度的二个变量的跟踪;然后提出了一种固定时间收敛的全局滑模跟踪制导律,可实现对参考轨迹的鲁棒跟踪,且可保证轨迹跟踪误差在设定的时刻收敛;最后通过对再入飞行器的仿真研究,验证所设计轨迹跟踪制导算法的有效性。     

升力式再入的三维再入走廊与再入界面窗口

针对升力式再入飞行任务设计对地理信息的需求,提出了以“来路走廊”和“去路走廊”为代表的“三维再入走廊”概念,重新定义了“再入界面窗口”概念。其中,“再入界面窗口”解决了“已知着陆点,估计初始再入点的可行地理区间”问题;“三维再入走廊”则系统、直观地揭示了升力式再入飞行器对“临近空间”多重大气层的覆盖能力及其整体变化趋势。求解算法使用高精度积分律的直接配置非线性规划法,配合无奇异的数学模型,可满足全球到达任务的设计需求。基于美国X-33和Advanced Guidance and Control (AGC)项目的测试任务数据,一系列算例检验了“三维再入走廊”与“再入界面窗口”概念的合理性。“三维再入走廊”有助于工程总体设计、军事指挥和商业空天交通指挥人员对类型化的升力式再入任务进行设计和分析;有助于高层决策人士对升力式再入的机动能力进行系统理解和直观把握。     

机动再入飞行器主动段再入点约束闭路制导研究

基于机动再入飞行器再入制导段控制条件荷刻和难度大，必须为飞行器创造最佳的再入条件。本文对具有再入点约束的主支段闭路制导律进行了研究。根据飞行器椭圆弹道的性质、飞行器再入条件、球面几何和不动点原理给出了理想弹道的计算算法。为使飞行器能在主动段很快地进入到理想弹道上，系统采用了非线性的推力向量控制及预测制导方法。通过对新型号再入飞行器的制导系统的设计与仿真，表明该制导系统使飞行器全程飞行有很好的飞行性能。     

一种基于参数在线辨识的最优再入制导算法

为提高升力式飞行器再入飞行最优性及参数不确定条件下的制导精度,研究了一种基于参数在线辨识的最优高度-速度剖面跟踪制导算法。首先,采用分段三次多项式拟合飞行剖面,利用序列二次规划算法(SQP)优化获取最优分段点位置及飞行剖面系数,得到了一种满足总吸热量最小的高度-速度飞行剖面规划算法,并根据待飞航程与待飞航程预测值偏差确定是否进行重规划。其次,利用反馈线性化方法和航迹倾角偏差修正解算制导指令,并通过增广渐消记忆扩展卡尔曼滤波对不确定性参数在线辨识,利用辨识结果实现对制导指令的修正。最后,通过航迹偏角走廊控制倾侧角反号,实现侧向制导,完成跟踪制导算法设计。仿真结果表明,这种基于参数在线辨识的最优飞行剖面跟踪制导算法适应性强,计算速度快,具有较高的制导精度和一定的工程应用潜力。     

RLV再入标准轨道制导与设计

将可重复使用运载器(RLV)再入轨道设计分为纵向轨道和侧向轨道设计两个过程:首先引入形状约束因子,在不进行轨道积分的情况下,在再入走廊内快速优化设计RLV再入飞行剖面;然后结合轨道跟踪控制,设计侧向方位误差走廊,快速生成满足末端能量管理(TAEM)接口和航程等要求的再入轨道。进一步提出修正标准飞行剖面参数的航程更新及制导方法,并采用RLV概念模型进行仿真分析。仿真结果表明这种RLV再入轨道设计方法能够快速生成再入标准轨道,相应的RLV再入制导方法可行,且具有较高的制导精度和可靠性,鲁棒性好。     

改进的RLV再入制导方法及其性能分析

提出一种改进的再入制导算法，并用于跨大气层、无动力升力体、可重复使用运载器再入制导。该算法根据剩余航程和预测航程信息，对输入到反馈控制器的参考飞行剖面参数进行修正，以消除航程误差。1000条Monte Carlo散布仿真结果表明，该算法可靠、鲁棒性好。此外，对升力系数减少20％、阻力系数增加20％的最坏情况进行了仿真，进一步测试该再入制导方法的优劣。     

转动惯量未知的再入飞行器姿态容错控制

针对升力式再入飞行器再入过程中执行机构发生故障的情况，基于反步法思想，设计了一种无需飞行器转动惯量信息的姿态容错控制律，同时，该控制律能有效地抑制外界干扰。控制律的设计除了给出稳定性证明外，还给出了误差上界与控制参数的关系。以临近空间飞行器X-33为模型进行了数学仿真，结果表明了该控制律的有效性。