升力式再入侧向制导的无奇异方位误差算法

升力式再入侧向制导的传统方位误差算法在地球南北极点处有奇异,在极点附近呈现病态;使用该算法的侧向制导律在极点处无法产生制导信号,在极点附近制导信号错乱。根据方位误差的物理意义,结合无奇异的再入飞行器质心运动方程,利用位置和速度三元数,提出了无奇异的方位误差算法。针对某假想的在极区再入的升力式再入飞行器,在固定纵向控制参量的情况下,进行仅检测侧向制导在极区的有效性的再入过程仿真。算例显示,对于同一侧向制导律,使用无奇异算法可避免传统算法在极区存在的奇异性问题。此外,新算法的计算细节无需因地球模型和再入飞行的地域不同而进行调整,与传统算法相比有更好的普适性,适合需要满足全球到达飞行任务要求的制导律使用。     

X-38飞行器质量特性测量方法

质量、质心和转动惯量是再入类飞行器的重要参数,其测量精度对飞行器控制至关重要。详细介绍并对比分析了X-38飞行器质量特性测量方法,测量结果表明:采用三点法c质量和三个方向质心位置,采用单点悬挂法和弹簧工作台可以准确测量三个方向的转动惯量。X-38飞行器的质量特性测量方法对于类似的再入飞行器质量特性测量具有很好的参考意义。     

移动质心飞行器的参数辨识和补偿控制

受质量块大小和位移的限制,移动质心不能像空气舵那样产生很大的力矩.因此飞行器的再入攻角对静稳定度很敏感,尤其在小静稳定度下,静稳定度稍有改变,配平攻角将发生很大变化.飞行器再入过程中的烧蚀、侵蚀以及边界层转捩所造成的小不对称量所产生的不对称力矩与质心移动后产生的控制力矩相比,不是小量.以所建立的移动质心控制飞行器的数学模型为基础,辨识飞行器静稳定度和小不对称量,对小不对称量造成的气动力矩用前馈一反馈复合控制加以补偿.仿真分析表明,移动质心控制对高速再入的飞行器具有良好的末修能力,能有效提高再入段的控制精度.     

移动质心再入飞行器姿态的无源性控制

从能量的观点研究了再入飞行器的移动质心控制方案。由于受移动质量块大小和位移的限制,移动质心控制方式不能像空气舵一样产生很大的控制力矩。采用基于能量的欧拉-拉格朗日法,在飞行器坐标系内推导了单质量块移动的七自由度动力学方程。在对动力学方程进行合理简化的基础上,采用无源性控制设计了俯仰平面的姿态控制器。状态反馈跟踪控制采用了能量形成加上阻尼注入的PD+(PD Plus)控制思想。在控制律推导过程中,直接考虑了动力学系统的非线性。通过Lyapunov函数证明了控制器能使系统全局渐近稳定。对非线性系统再入飞行控制仿真结果表明,即使存在风干扰和参数时变情况下所设计控制器也有满意的性能。     

基于变质心控制的再入飞行器机动能力分析

变质心控制作为一种新颖的控制方式,可克服传统再入飞行器气动舵等控制方案存在的舵面烧灼等弊端,它通过主动移动飞行器内部若干个质量块,可以有效调整飞行器的姿态并实现飞行器的姿态和机动控制.本文在推导变质心再入飞行器动力学方程的基础上,对该动力学方程进行了必要的简化,从而得到了变质心再入飞行器纵平面内的动力学和运动学方程,并计算得到质量块不同行程下飞行器可产生的法向过载大小.本文的研究对于变质心再入飞行器控制系统的设计提供了必要的理论参考依据.     

机动再入飞行器自适应飞行控制系统设计

研究机动再入飞行器的制导控制问题。为了解决机动再入飞行器气动系数变化范围大、气动耦合严重和气动参数非线性过零常值大等恶劣条件下的控制，并且能充分利用飞行器可测量信息提高系统自适应能力，本文提出了状态方程参数辨识－－极点配置－－前馈补偿自适应控制的飞行控制系统的设计方法。通过对新型号再入飞行器的制导系统仿真，可以看出该控制系统使其有很好的飞行性能。     

再人飞行器优化气动布局研究

本文研究了再入飞行器的优化气动布局问题，提出了单目标和多目标优化设计方法，通过研究分析，指出了具有高机动性能的带翼机动再入飞行器，弯体机动再入飞行器及带翼锥柱裙机动再入飞行器等再入飞行器的几何数变化规律，该研究对这类再入飞行器的气动布局选型有重要的参考价值。     

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。     

返回舱动稳定特性风洞试验的影响参数

再入飞行器需要大阻力减速而采取钝锥外形,这种气动布局外形的飞行器动稳定风洞试验结果易受到质心位置、尾迹干扰和极限环运动等因素的影响。通过风洞试验研究了不同质心位置、不同支撑方式下尾迹干扰对返回舱配平角和动稳定性的影响,以及不同稳定模态下,试验方法对试验结果的影响。指出了在动稳定风洞试验中必须精确模拟返回舱质心位置,在大攻角状态下采取弯支杆支撑方式减少尾迹干扰,并针对极限环运动,采取轴承一滑块大振幅自由振动试验,才能得到正确的返回舱动稳定特性。     

再入飞行器攻击空中活动目标的制导律研究

针对再入飞行器攻击空中活动目标的特殊问题,分析了再入飞行器和空中活动目标的运动特性,建立再入飞行器和空中活动目标的运动模型,在此基础上引入目标运动信息对制导律进行修正,提出修正比例导引,从而减小由于目标运动对制导精度的影响。数学仿真结果表明,采用修正比例导引可有效降低再入飞行器需用过载,提高命中精度,减小终端速度倾角散布。该方法参数适应性强,易于工程实现。     

Calculation and fitting of boundaries between elliptic and hyperbolic singularities of pyramid-type control moment gyros

There exists a singularity problem in control moment gyros (CMGs). CMG singularities are classified into two types: hyperbolic and elliptic. Several gimbal steering control methods have been presented to avoid CMG singularities. Hyperbolic singularities can be avoided by null motion, but elliptic singularities cannot. The existing steering control methods are rarely designed by explicitly taking the singularity type into account. In order to effectively avoid elliptic singularities by perturbing gimbal angles, it is desirable to calculate and record the boundaries between elliptic and hyperbolic singularities in advance so that the determined boundaries can be utilized for developing model predictive steering control. To this end, the boundaries between elliptic and hyperbolic singularities of CMGs are calculated and represented in the form of fitted curves. Several numerical examples are presented to determine the perturbation gimbal angles for avoiding elliptic singularities without using singular value decomposition.     

Terminal area trajectory planning using the energy-tube concept for reusable launch vehicles

This paper concerns a terminal area energy management (TAEM) guidance system for a winged re-entry vehicle and describes the use of the energy-tube concept in a planning and estimation algorithm. In this paper, the focus is on the analysis of the energy management capabilities during changes in the initial conditions. The planning algorithm calculates the best heading alignment cylinder (HAC) position, based on the initial state at the TAEM interface. A cross-section of the energy tube contains all combinations of altitude and velocity from which it is possible to reach the runway. Ideally, the re-entry vehicle enters the terminal area in the ‘middle’ of the cross-section such that it has sufficient capabilities to react to off-nominal conditions that would require more or less energy dissipation. Each HAC position has a particular energy-tube cross-section. By shifting the HAC position, an optimal HAC can be found such that the initial state is situated in the middle of the cross-section. The planning algorithm uses a nominal longitudinal strategy, which is situated in between the maximum-dive and maximum-range capabilities, to calculate the optimal HAC position. However, in some cases the nominal longitudinal strategy is insufficient to reach the runway. Hence, in these cases, deviations from the nominal longitudinal strategy (nominal energy dissipation) are required during the actual flight. These deviations are calculated by the estimation algorithm and the magnitude of the deviation is based on the current position in the energy tube.     

星载合成孔径雷达回波多普勒频率的计算

从星载合成孔径雷达（ＳＡＲ）与目标的相对运动关系出发，以ＳＡＲ发射信号的波长、卫星的轨道参数和目标的位置（地心经纬度）为已知条件，导出了计算目标回小以的多普勒频率的解析公式，这对于星载ＳＡＲ系统的性能 初步设计具有重要作用。     

航天飞行器交会对接段的姿态控制四元数法

本文研究利用四元数作为误差信号进行航天飞行器姿态控制的控制规律,应用Pontrgagin极小原理导出了喷咀最优控制开关曲线,所得结果不仅可用于交会对接段也适用于航天飞行器上升段和返回段的姿态控制。     

Practical approaches to handle the singularities of a wrist-partitioned space manipulator

Space robotic systems are expected to play an increasingly important role in the future. However, the control methods based on the inverse kinematics are affected by singularities. In this paper, practical approaches are proposed to solve the problems of a wrist-partitioned space manipulator. For spacecraft-referenced end-point motion control, we presented the singularity separation plus damped reciprocal (SSPDR) method, which separates the singularity parameters from the inverse of the Jacobian, and replaces their reciprocals using the damped reciprocals. For another control strategy, i.e. inertially referenced end-point motion control, including spacecraft attitude-controlled mode and free-floating mode, the linear momentum equation is used to eliminate three independent variables. With modifying some expressions, the SSPDR method is utilized to solve the singularities of spacecraft attitude-controlled space robot. When the space robot is free-floating, the singularities, i.e. the so-called dynamic singularities, cannot be predicted according to its kinematic structure. Combining with the measured angular velocity of the base, the dynamic singularity handling problem is transformed into real-time kinematic singularity avoiding problem, which can be solved by the SSPDR method. Since the SVD decomposition, the estimation of the minimum singularity value, and the calculation of the generalized Jacobian matrix are not required, the algorithm has lower computation load. Another advantage is that, only the accuracy of part velocity components is reduced by adding the damped coefficients. Simulation results verify the proposed approaches.     

一种改进阻尼倒数的空间机器人避奇异算法

针对自由漂浮空间机器人运动规划过程中存在的动力学奇异问题,提出一种动力学奇异转化加改进阻尼倒数的奇异回避算法。首先,通过运动学分解,间接求解机器人逆运动学方程,避免直接求解逆广义雅可比矩阵,以实现奇异参数的分离;然后,采用改进的高斯分布阻尼因子的阻尼倒数代替奇异参数的普通倒数,回避运动学奇异的影响。与现有阻尼倒数方法相比,提高了算法在奇异点附近的连续性,进一步减小了算法带来的跟踪误差。在PUMA类型空间机器人模型上进行仿真试验,校验算法的有效性。     

降低亚轨道飞行器再入法向过载峰值的攻角设计方法

针对亚轨道飞行器再入中的大过载问题,提出一种通过保持法向过载动态平衡以大幅降低法向过载峰值的攻角设计方法。该方法基于再入飞行中过载演化特性,通过自主分段、预测反馈及迭代修正对再入攻角进行设计,使攻角变化率与法向过载的期望平衡值相适应,并可经过重复计算及收敛实现法向过载峰值最小化。仿真计算的结果表明,该方法能够大幅降低亚轨道飞行器再入中的法向过载,且按照该方法设计所获攻角策略可有效用于亚轨道飞行器再入任务规划、再入轨迹和制导律设计。
     

一种亚轨道飞行器再入段组合导航方法

针对亚轨道飞行器再入飞行段的环境特性,设计了由INS、GPS、CNS组成的容错型 组合导航系统,该系统能根据不同飞行阶段选择相应的传感器组合方案,将处于运行状态 且无故障的子系统信息自动地实现最优融合。仿真结果表明,所设计系统具有良好的容错性 ,并达到了较高的导航精度。
     

星载SAR多普勒频率计算与全零多普勒中心导引

讨论了在天线坐标系中多普勒频率的计算方法和全零多普勒中心的条件及其实现。证明对近圆轨道SAR卫星,采用与时间延迟积分-电荷耦合器件(TDI-CCD)空间相机相同的计算公式和偏流角补偿技术,能以偏航控制方式实现星载SAR的全零多普勒中心导引。由此可将回波多普勒中心频率的全球变化范围减至最小,显著降低了SAR成像处理的难度。研究具重要的应用价值。     

星载遥感器对地面目标的定位

系统和深入地研究了多种星载遥感器对地面目标的定位问题。以目标相对于星下点轨迹的方位角和遥感器的视角作为相对定位的结果参量，与卫星轨道参数相结合，导出了地面目标经纬度的通用化计算公式。并在此基础上，完成了关于地面目标定位误差的完整分析，讨论了各误差分量的计算方法，导出了一套相应的计算公式。