月球返回舱跳跃再入弹道特性分析与优化设计

对月球返回舱跳跃再入大气层的初始再入段弹道特性与过载约束下轨迹优化问题进行了分析。首先介绍了跳跃再入的基本概念与优点,对不同再入角、不同升阻比情况下初始再入段的弹道特性进行了分析。然后采用庞特里亚金极大值原理以总吸热量最小为优化目标,对过载约束下再入轨道的初始再入段进行了优化设计,给出了升力系数的最优表达式。仿真研究表明,该方法能有效地降低飞行过程中的过载。     

基于非线性模型预测控制算法的亚轨道再入轨迹优化

针对升力式飞行器再入终端需要满足窗口约束条件的情况,提出了一种基于模型预测算法的再入轨迹优化方法。该方法利用预测模型和滚动优化策略将非线性多约束优化问题转化为线性优化目标函数,并采用二次规划法求解该轨迹优化问题,得到了满足相应约束的亚轨道再入轨道。以某升力式再入飞行器为对象进行了纵向轨迹优化计算,仿真结果验证了该轨迹优化方法具有较高的精度和计算效率。     

重复使用运载器无动力投放自适应制导技术

为了研究重复使用运载器小升阻比无动力飞行时的制导技术,以投放着陆为背景,提出了一种基于轨迹在线生成的自适应制导技术.这种制导技术主要解决在线轨迹生成技术、自适应制导策略和制导规律问题.首先设计了自适应制导系统的体系结构,将在线轨迹生成技术、自适应制导策略和制导规律集成在一个框架中.在线轨迹生成技术充分考虑了重复使用运载器的飞行能力,根据当前的飞行状态和末端期望的飞行状态,在线规划轨迹剖面,产生一个物理上可飞的、稳定的轨迹剖面,并给出了设计方法.将轨迹生成与制导策略相结合,形成了具有一定自适应能力的制导回路.最后以某验证机为例,对在线轨迹生成、制导策略和制导规律进行了集成仿真.仿真结果表明,基于轨迹在线生成的自适应制导系统具有一定的自主性、鲁棒性和工程实用性.     

基于终端滑模的打击时间与打击角度约束制导律

针对打击角度和打击时间约束制导问题,设计一种非奇异终端滑模寻的制导律。首先,将导弹视线角误差参考轨迹设计成含有一个未知参数的时间多项式以满足打击角度约束;而后,基于固定时间稳定设计一种终端滑模制导律使得跟踪误差收敛至零,同时利用在线优化方法确定未知参数的值以实现打击时间控制。所设计的制导方法不需要估计剩余飞行时间和预测碰撞点。数值仿真结果表明,该制导律能够保证导弹以期望打击角度和打击时间拦截匀速运动目标,具有良好的制导性能。     

基于NFTET的高超声速飞行器鲁棒轨迹重构设计

考虑高超声速飞行器故障下安全再入飞行问题，针对飞行器发生较大故障的情况，提出了基于相邻可行轨迹存在定理(Neighboring feasible trajectory existence theorem,NFTET)的鲁棒在线轨迹重构算法。在标称情况下基于反馈线性化预测校正制导算法生成满足各种约束条件的再入轨迹；由于NFTET只适用于发生较小故障的情况，为保证较大故障下飞行器仍能以较高精度安全着陆，基于NFTET理论设计了鲁棒轨迹重构算法，得到了较高落点精度的飞行轨迹。仿真结果表明，本文所提出算法能有效解决飞行器较大故障下的安全再入轨迹重构问题，提高了飞行器的自主容错能力。     

基于速度矢量场的无人机实时动态航路规划

针对局域动态环境中无人机实时航路规划展开研究,提出了一种基于速度矢量场的二维动态实时航路规划方法。通过建立不同空间特征区域速度场模型,实现了速度场驱动下的无人机航路规划。文中采用虚拟目标点法解决了速度矢量场航路规划局部陷阱问题;采用探测步长法,实现了无人机机动约束的融合,解决了航路可飞性问题;在动态实时规划应用中,确立了环境信息更新方法,实现了对动态环境的描述。通过仿真验证,表明速度矢量场法能够根据动态环境信息及时规避威胁到达目标点,算法具有良好的完备性和实时性,适用于局域动态环境中的快速航迹规划。     

基于交通分配的航路网络生成（英文）

航路网络是空中交通分配的载体,而交通分配是检验航路网络的依据,如何构建基于交通分配的航路网络生成便成了当前空域规划技术中的研究方向。论文基于链路预测理论、优化理论,建立了上层为航路网络生成,下层为交通分配的双层规划模型,采用基于链路预测的网络拓扑生成器和基于偏好的最优路径搜索算法进行航路网络生成,采用NSGA-Ⅲ算法进行交通分配。论文基于Python平台NetworkX复杂网络分析库,采用中国大陆空域北京和上海飞行情报区57个机场、383个航路点、635条航段组成的航路网络和187 975架次机场对交通流量进行案例仿真。通过与现有航路网络对比,交通分配运行成本下降50.624%,飞行冲突系数下降33.564%,动态非直线系数下降7.830%。     

高超声速飞行器再入自适应容错制导控制一体化设计

针对故障下高超声速飞行器安全再入飞行问题,考虑控制系统存在各种不确定性参数、干扰和力矩故障,进行高超声速飞行器再入自适应容错制导控制一体化(Integrated guidance and control,IGC)设计。首先,针对分离通道的制导与控制(Separate channel integrated guidance and control,SCIGC)模型设计无法同时协调制导和控制系统容错能力的问题,考虑制导环和姿态环之间关系并建立制导控制一体化模型;然后,针对一体化模型设计自适应滑模Backstepping容错控制器,并采用Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型在线逼近由未知参数和加性故障引起的复合干扰项;最后,基于Lyapunov稳定性定理设计参数自适应律在线更新容错控制器,同时引入投影算子防止参数漂移以保证参数处于合理区间,从而完成自适应容错制导控制一体化方案设计。在飞行器故障条件下,通过IGC与SCIGC控制策略的仿真对比,验证了自适应容错IGC控制策略的有效性和优越性。     

基于反馈线性化的可重复使用运载器上升段闭环制导

可重复使用运载器上升段轨迹跟踪是通过姿态跟踪间接实现的,采用开环制导方式,气动或者推力的不确定性可能会导致轨迹末端高度偏差较大,因此研究一种合适的闭环制导方式是非常必要的.本文采用基于输入输出反馈线性化的技术设计上升段标准轨道的跟踪方法,结合上升段飞行特点,动力爬升段和无动力爬升段分别通过反馈线性化技术将高度转化成与俯仰角和迎角的线性关系,然后通过线性系统技术设计闭环制导律,易于工程实现.非线性仿真结果表明,设计的制导策略能很好地实现轨迹跟踪.     

无人机在线协同航迹规划时序问题

提出了一种满足时序约束的无人机在线协同航迹规划方法.首先采用按时间推进的协同规划机制解决了 在线协同规划中信息交互存在时间间隔的问题;其次通过设计协同函数,采用自主分布计算协同变量的方法解 决其时序问题,实现了协同无人机按照指定时间间隔先后达到目标区域.仿真选取同时到达和按等时间间隔到 达两类典型时序问题,结果表明该方法可以快速生成符合协同时序要求的协同航迹,且满足实时性要求.     

Adaptive Constrained On-board Guidance Technology for Powered Glide Vehicle

To make full use of expanded maneuverability and increased range,adaptive constrained on-board guidance technology is the key capability for a glide vehicle with a double-pulse rocket engine,especially under the requirements of desired target changing and on-line reconfigurable control and guidance.Based on the rapid footprint analysis,whether the new target is within the current footprint area is firstly judged.If not,the rocket engine ignites by the logic obtained from the analysis of optimal flight range by the method of hp-adaptive Gauss pseudospectral method(hp-GPM).Then,an on-board trajectory generation method based on powered quasi-equilibrium glide condition(QEGC)and linear quadratic regulator(LQR)method is used to guide the vehicle to the new target.The effectiveness of the guidance method consisted of powered on-board trajectory generation,LQR trajectory tracking,footprint calculation,and ignition time determination is indicated by some simulation examples.     

无人机4D制导系统研究

基于逆运动学方法设计了无人机四维制导系统。基本姿态控制器采用基于在线神经网络的非线性动态逆控制器。动态逆控制器用来对消无人机的非线性，在线神经网络补偿对消不精确引起的状态误差。制导系统的任务就是由给定的三维航迹，解算出航迹角，并生成三个姿态角指令，同时设计发动机控制回路以控制航迹速度，最终实现精确的四维航迹跟随。     

航天飞机再入大气层三维机动飞行的最大过载和热流峰值

本文研究了航天飞机再入大气层三维机动飞行时所产生的最大过载及驻点的热流峰值,提出了一种计算最大过载及热流峰值的解析方法。在一阶近似运动方程的基础上,建立了最大过载、热流峰值与航天飞机的升阻比、再入角、滚转角等参数之间的解析关系式,由之可简便地确定最大过载与热流峰值。文中分析了升阻比、再入角等参数对过载和热流的影响,并与再入三维轨道精确解的相应值作了对比,表明此种解法具有一定的精度,可供再入三维轨道特性的分析及航天飞机的初步设计阶段使用。     

飞翼无人机机动飞行航迹优化和自生成方法

虚拟机动指令是飞翼无人机机动飞行的基础,是制导回路和控制回路必要的输入。为了生成合理虚拟机动指令,提出了优化基本航路—建立机动数据库—战场信息匹配输出的机动飞行航路生成方法。由于复杂的机动动作可由基本机动动作组合而成,本文以飞翼无人机基本机动飞行动作为优化研究对象,提出了以飞翼无人机控制量变化率为优化参数、航迹片段建立约束条件的无人机机动航路优化方法。其中,机动飞行控制量变化率体现了无人机控制能力的限制;航迹片段约束体现了航迹准确和操作柔和的要求,并对无人机的筋斗、滚桶、盘旋机动进行了优化计算,介绍了机动数据库建立的方法。最后,以机动目标跟踪和有人机追击为设定进行了仿真,结果显示所提方法有效。     

Control for Underactuated Reentry Aircraft in Small Angle of Attack

The control problem for under-actuated reentry vehicle like HTV-2 is considered with small angle of attack.The control strategy for an aircraft with positive lateral control departure parameter relies on strong lateral stability,which declines with the decrease of the angle of attack.Thus,to control the lateral-directional motion in a stable state is hard and even impossible in some scenarios where the under-actuated reentry vehicle,like HTV-2,flies in a low angle of attack.To address this problem,the lateral-directional open-loop motion characteristics are analyzed.The results show that in an uncontrolled state,the lateral-directional motion can automatically converge to stabilization thanks to the aerodynamic damping effect.Therefore,a method of turning-off the lateral-directional control and inviting aerodynamic damping to control can achieve stability.The six-degree-of-freedom simulation show that the lateral-directional motion can be stabilized by the aerodynamic damping,and the lateral position error caused by the bank angle deviation is limited near the zero-rise angle of attack.The control strategy is effective.     

基于速度和加速度约束的有限控制能力路径跟踪

在考虑实际系统有限控制能力的情况下,对非完整移动机器人提出一种完全满足速度和加速度约束的路径跟踪技术。根据系统状态方程分析了移动机器人维持无偏差跟踪状态的条件,先通过智能预测控制将路径偏差转化为同号状态,再应用滚动时域控制和约束条件设计一种改进型最优预测控制器。当路径跟踪开始时,控制量从零初值调整;当路径偏差同步消除到零时,控制量可在速度和加速度约束下及时调整到零。仿真结果验证了所提技术的有效性,有限控制能力使该技术在工程应用时具有更好的可行性和适应性。     

一种基于航空器气象资料下传数据的飞行剖面生成方法

由于飞行剖面识别是航空器四维(Four-dimensional,4D)航迹预测研究的热点问题,提出一种基于航空器气象资料下传(Aircraft meteorological data relay,AMDAR)数据的全飞行过程剖面生成方法,包括由高度-航程构成的标称高度剖面和空速-航程构成的标称速度剖面。首次将动态空间规整算法(Dynamic space warping,DSW)应用到飞行高度剖面的相似距离计算中,计算出标称飞行高度剖面;为解决在地速未知情况下标称速度剖面的计算问题,结合大椭圆距离算法与航空器基本性能数据库(Base of aircraft data,BADA),给出一种标称飞行速度剖面的计算方法,该方法保留了AMDAR实测历史数据中所隐含的飞行意图与气象因素。实际算例表明,本文提出的方法能够有效地得到真实反映航空器飞行状态的全飞行剖面。     

某飞行器声信标切削轨迹设计

声信标为某飞行器锥段壳体的重要设备，针对安装位置与理论位置存在较大偏差，导致切削轨迹无法精确生成，对此，本文提出集测量、编程、切削、检测为一体的切削轨迹设计方案。首先在锥段壳体设定某基准位置与声信标特征相同，然后对声信标空间位置进行测量，将锥段壳体基准位置与声信标测量位置切削轨迹通过坐标系建立联系，为此设计出声信标空间位置控制点和方向矢量计算方法；为验证切削轨迹的正确性，提出优化后处理，约束设备旋转角度，校验切削轨迹特性。最后，经试验验证，声信标空间位置控制点与方向矢量和测量数据一一对应，切削轨迹与声信标特征大小相符，该方法合理、可靠、有效。