长征运载火箭制导方法

对长征系列运载火箭制导方法的发展和当前最新研究成果进行了综述。为满足轨道控制需求,制导方法起步于外干扰补偿制导,历经隐式和显式的摄动制导,逐步过渡到目前的闭环最优制导,并且发展出多个分支。传统迭代制导通过预测最佳入轨点、实时修正剩余飞行时间以及在线轨迹规划等技术,实现了高精度入轨控制;轨道预测修正迭代制导则通过跨飞行段取消位置与速度约束,并补偿对轨道的影响,实现了大推力直接入轨火箭的高精度控制;二次曲线直接制导通过改变程序角形式,增加控制维数,满足了终端姿态约束要求。最后结合我国未来重型运载火箭的任务特点,提出了在不同任务场景下采用统一的制导方法的设想,并以凸优化和联立法作为实现手段讨论了未来的研究重点。     

火箭入轨的大偏航非线性鲁棒自适应控制方法

火箭入轨通常是沿标准轨道面的飞行控制,常规发射任务只需侧向小偏航角校正,但当今一些特殊的入轨任务要求火箭制导控制能侧向大偏航角飞行,以克服较大初始侧向偏差对末级火箭入轨的影响。文中提出了一种末级火箭的侧向大偏航非线性自适应组合制导控制方法,结合土星-5火箭IMG方法和航天飞机LTG方法各自的优点,进行了大偏航角的非线性耦合补偿修正,并对动力飞行过程的迭代算法进行了鲁棒稳定性改造。基于姿态喷嘴开关控制的六自由度数值仿真表明,提出的控制策略和算法简单可靠、稳定性好、精度高,在火箭入轨控制和空间飞行器变轨控制中具有参考和应用价值。     

一种多级全固体运载火箭上升段自主制导方法

针对多子级全固体运载火箭在终端多约束下的耗尽关机制导问题，设计了一种基于“助推-滑行-助推”飞行模式的真空段自主制导方法。根据轨道动量矩守恒定律，推导出一种同时具有速度和位置矢量约束的定点制导算法(PA)。在PA理论基础上，建立了满足能量匹配的滑行轨道非线性方程组并降阶至一维迭代求解，解决了多级固定总冲约束的两点边值问题。蒙特卡洛仿真结果表明：该算法对固体运载火箭模型的参数偏差和不确定性具有强鲁棒性，并对多终端轨道任务(不同轨道高度和不同载荷质量)具有较强的自适应能力，因此该算法具有重要的理论意义和工程应用价值。     

带有入轨姿态约束的迭代制导算法及应用研究

针对需要满足一定入轨姿态约束的发射任务，研究一种带有入轨姿态角约束的迭代制导算法在运载火箭中的应用。该制导算法在传统迭代制导算法的基础上，将控制姿态角的最优解析表达式，通过二阶近似，展开为与时间相关的二次函数，可以同时满足入轨点速度、位置和姿态角约束。阐述了迭代制导的基本原理，给出带有姿态角约束的迭代制导算法的推导公式。在有相同姿态角约束的条件下，该算法能够保证入轨精度,与传统迭代制导算法相当，且对姿态角约束有较好的控制效果，运载能力损失较少。仿真结果表明，该算法对故障工况及不同姿态角约束具有一定的适应能力。     

考虑终端姿态约束的自适应迭代制导方法

为了解决采用经典迭代制导方法时运载火箭主动段终端姿态散布较大的问题,提出一种考虑终端姿态约束的自适应迭代制导方法。该方法将末级主动段分为迭代制导段和姿态快速调整段;在迭代制导段,通过对其终端姿态和姿态快速调整段的估计,自适应调整其制导目标状态;在主动段结束前进入姿态快速调整段,将火箭姿态快速调整至期望姿态。仿真结果表明该方法能同时满足轨道参数约束和终端姿态约束,且仅增加少量的推进剂消耗。     

迭代制导情况下姿态控制系统稳定性分析方法研究

为了提高火箭的入轨精度和轨道适应能力,我国在新一代运载火箭末级中采用了迭代制导技术,俯仰、偏航程序角根据火箭运动状态和目标轨道参数实时变化,目前工程设计中仍按照固定程序角方式开展稳定性分析。本文推导出迭代制导程序角与火箭速度、位置之间的线性关系式,在国内首次提出了迭代制导情况下的稳定性分析方法,并以新一代运载火箭为例进行了实例计算,结果表明此分析方法正确、可行,具有一定的参考价值。     

火星进入段自适应预测校正制导方法

针对火星进入段预测制导收敛性和可解性问题,给出基于一阶特征模型的全系数自适应预测校正制导律。该方法首先通过时变动态增益变换技术大幅度降低预测误差与制导修正量之间的时变动态增益;然后对变换后的系统建立修正量与广义航程误差间的一阶特征模型,应用全系数自适应方法估计一阶特征模型系数并求取制导修正量;再由标称制导剖面和制导修正量确定纵向制导输出,横向制导采用传统的漏斗边界制导方法。本文方法每个制导周期仅执行一次预测制导,依靠自适应控制的逐次逼近实现制导的收敛性,避免了基于迭代的传统预测校正制导方法的收敛性问题。针对预测校正制导收敛性这一国际上的难题,本文首次证明了全系数自适应预测校正制导律的收敛性。最后针对火星进入点多种初始误差的组合,以及火星大气密度和探测器气动参数的偏差,进行了多条轨迹的仿真。结果表明,全系数自适应预测校正制导具有较高的精度,在计算时间上也要优于基于迭代的预测校正制导方案,更加适合在工程上的应用。     

一种针对直接入轨飞行器的主动段轨道快速实现方案

在直接入轨飞行器允许较宽交班范围的情况下，采用离线优化设计轨道保障参数、射前根据发射点和射向对程序角进行修正的方案，将传统的单发设计转化为适应性强的通用设计，减少了轨道设计计算量，缩短了飞行器的射前准备时间。仿真结果表明，所提出的轨道快速实现方法对点位和射向具有较强的适应性，能够有效减小交班点的偏差范围，同时相比优化设计的轨道，终端速度差异较小，在具有一定优化指标的同时可保证在线实施。     

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。     

小型固体运载火箭迭代制导方法研究

通过引入“平均引力”的简化假设 ,利用Pontiyagin极小原理推导了一组可自动起步 ,满足 1～ 5个卫星轨道终端条件的迭代制导方程 ,并应用于小型固体运载火箭三级飞行段、滑行段以及入轨段的制导控制     

带落角落速约束的导弹虚拟期望落角末制导律

为解决导弹末制导阶段同时考虑落角和落速约束时带来的过载需求大、落速散布广的问题,提出一种基于虚拟期望落角的末制导律。首先,提出虚拟期望落角的概念,设计过渡函数降低末制导初期过载需求；然后,分析过渡函数各参数对落角、落速影响,设计预测-校正算法计算期望参数；为了提高预测效率与精度,使用深度神经网络离线训练弹道数据集。实际飞行中,基于扩展卡尔曼滤波在线辨识气动参数摄动,提高算法的适应性。蒙特卡洛仿真结果表明,所提出的算法能够降低末制导初期过载需求。在满足落角约束与位置精度的前提下,落速控制精度在±15 m/s以内。     

大气层内固体火箭多约束鲁棒三维能量管理制导

针对固体运载火箭大范围精确调节终端约束的要求，提出一种新型的大气层内鲁棒三维能量管理制导方法，通过在线规划侧向速度能力曲线消耗剩余发动机能量。将终端约束表示为关于攻角和速度能力曲线参数的方程组，将闭环制导问题转化为方程组的求解。针对飞行过程中的动压、过载，以及控制变化率等过程约束，构造了攻角和速度能力曲线的可行边界。针对气动系数和发动机参数的不确定性，采用容积卡尔曼滤波器对不确定性进行辨识。仿真结果表明，与模型预测静态规划算法和改进粒子群算法相比，本算法的终端速度调节范围、鲁棒性以及计算效率大幅度提高。     

一种不依赖剩余时间估计的巡航导弹多约束制导律

针对巡航导弹末段多约束精确打击问题,提出了一种不依赖剩余时间估计的攻击角度/时间制导律。推导了航向弹目相对运动关系,设计了一种基于附加航向角设计的时间约束制导律,通过对时间增益系数的设计和优化,实现附加航向角的调节,可使实际飞行时间向期望时间快速收敛;在此基础上,将角度约束制导律与时间约束制导律相结合,得到了一种角度/时间约束制导律。该制导律不依赖于剩余时间估计,进而实现多约束条件下航向轨迹自适应调整;通过求解偏置导引律闭环轨迹分析得到轨迹收敛条件,给出满足角度/时间约束制导律的显式收敛条件。最后通过数学仿真验证了本文提出的航向多约束制导律可满足时间和角度等多约束条件且具有快速收敛特性。     

新一代运载火箭自主控制技术（英文）

This paper introduces the autonomous control technologies for a new generation launch vehicle for guidance and attitude control. Based on the iterative guidance mode(IGM) of Long March launch vehicles, the autonomous compensation IGM(ACIGM) for the terminal attitude deviation during the coasting phase is proposed. Considering the characteristics of large static instability and weak bearing capacity, the attitude control technology based on active disturbance rejection control(ADRC) and a control method based on an accelerometer are proposed. Targeting at non-fatal failures that may occur during flights, autonomous guidance reconstruction technology, nozzle fault diagnosis and reconstruction technology in the coasting phase are studied. Some of the autonomous control technologies proposed in this paper have achieved good control results as seen through flight verification.     

末端能量管理段迭代校正轨道算法研究

针对航天器进入末端能量管理段接口处时位置和航迹偏角存在大范围摄动的问题，提出一种使用迭代校正法的轨道快速生成算法。该算法可以根据航天器的具体初始状态，自动选择直接进场或者间接进场策略，快速生成可行的参考轨迹。首先通过跟踪轨迹地面投影实现侧向制导；根据末端能量管理段的起始点与终点的高度与速度约束生成参考动压-高度剖面，并跟踪此剖面实现纵向制导。然后采用迭代校正计算快速确定航向校准柱的位置与最终半径两个参数用以调整航程，保证航天器在末端的所有状态满足自动着陆段接口的边界约束。仿真结果校验了该算法可以根据航天器的具体状态快速生成符合约束条件的末端能量管理段飞行轨道，具有很好的鲁棒控制性能。     

终端末制导中的轨控直接力点火策略

为了提高命中精度,高层大气中防空导弹的终端末制导段常采用轨控直接力实现快响应。在固定的直接力模式下,轨控的点火时间和点火方位直接决定命中精度。目前,常用的点火逻辑由于对预测脱靶量和点火方位估计精度较低使得直接力修正效果未能充分发挥。为此,从3个层面进行点火策略的改进。首先,针对终端末制导过程视线发散的固有特点,通过引入视线角速率变化趋势,提高预测脱靶量估计精度;其次,考虑直接力装置有限的工作时间,通过增加剩余速度修正项,改善直接力修正能力估计精度;第三,将原有基于视线角速率的点火方位策略改进为基于剩余需用过载方向。理论分析表明,相比现有方法,文中提出的改进策略可适当提前点火时间。用不同的机动目标进行六自由度仿真验证,结果表明,新的策略在目标大机动下,可显著降低脱靶量;在小机动下,其性能与原方法相当。     

采用弱攻角补偿与脱敏设计的火星进入段制导

为提升火星进入段存在多种扰动时的制导末端精度,在现有三自由度脱敏设计的基础上,提出针对大气密度及升阻力系数波动的弱攻角补偿方法。通过攻角调整,协调升、阻力加速度测量值相对理论计算值的偏离程度,使加权形式的偏离程度指标趋近于1,从而降低气动参数波动对制导精度的影响。相平面分析和反证法证明了攻角调整过程的稳定性。蒙特卡洛仿真结果表明,该方法可达到较高的纵向末端状态精度。     

气动辅助空间交会最优轨道设计与闭环导引律

给出了同平面HEO-LEO实现空间交会的必要条件;研究了基于气动辅助轨道转移技术实现同平面HEO-LEO的空间交会方案,通过设计一条标准的同平面HEO-LEO气动辅助轨道转移的最优轨迹,得到了轨道转移飞行器(OTV)与目标实现交会必须满足的标准相角;最后对大气飞行段设计了非线性最优闭环导引律,通过引入Lyapunov最陡下降函数,对函数中相应参数进行适当调整,使应用闭环导引律得到的大气内飞行轨迹与最优轨迹充分接近,仿真结果表明该气动辅助空间交会方法正确、可行。