基于NFTET的高超声速飞行器再入容错制导

针对以X-33为对象的三自由度高超声速飞行器,采用相邻可行轨迹存在定理(NFTET)设计了容错制导律以解决再入段执行器发生故障的轨迹重构问题。在标称情况下采用预测校正算法生成满足再入过程约束和终端约束要求的再入轨迹;当执行器发生故障时,飞行器气动参数、结构和舵面力矩都可能发生不可预测的变化,原先的轨迹不再满足制导要求,因此需要设计新型容错制导律。针对实际再入制导模型,基于NFTET设计容错制导算法对轨迹进行重构,得到满足故障情况下制导任务的可行轨迹。从仿真结果中可以看出,容错制导算法生成的新轨迹重新回到了约束范围之内,轨迹呈收敛趋势,使得高超声速飞行器从故障恢复到正常飞行状态,提高了飞行器的自主容错能力。     

基于解析剖面的时间协同再入制导

针对高超声速滑翔飞行器再入段时间协同制导问题，提出一种基于高度-速度剖面的预测校正协同制导律。首先在高度-速度剖面内设计了参考轨迹，利用两个轨迹参数在线预测剩余飞行航程和时间；通过数值算法校正两个轨迹参数以满足航程和时间约束并求取实际控制量，结合侧向航向角走廊实现了单飞行器的时间约束再入制导。在此基础上分析了飞行器的时间可调范围，针对多飞行器协同再入任务设计了协同飞行时间和协同策略，实现了时间协同再入飞行。该策略考虑到再入过程中的通讯困难，避免了弹间通讯，且充分利用了飞行器纵向动力学，时间可控范围较大，更加适用于实际的再入过程。仿真结果说明了时间约束再入制导律对时间的可控性和协同策略的有效性。     

基于单参数迭代的TAEM在线轨迹生成方法

针对大升力体轨道再入飞行器末端能量管理（TAEM）段制导控制能力强、末端约束不惟一的问题，将TAEM段分为动压跟踪和着陆预备2个阶段，设计了不同的纵向轨迹剖面，从而将TAEM段在线轨迹生成问题转化为单参数搜索问题。第1阶段设计标称动压剖面为纵向参考轨迹，使得飞行器过程约束得到保证。第2阶段纵向剖面设计为标称高度剖面，从而使得末端点高度和倾角约束得到保证。根据末端动压误差设计修正律，迭代修正第一阶段动压剖面，从而使得最终的纵向轨迹满足所有的状态约束。在线轨迹递推采用以时间为自变量的数值积分，递推过程引入闭环制导律，通过实时修正攻角跟踪纵向剖面，修正倾侧角跟踪地面轨迹，从而保证在线生成的轨迹符合物理特性，降低闭环制导难度。在考虑初期再入末端大范围状态散布情况下，数值仿真显示了所提算法的鲁棒性。     

高超声速飞行器再入多段导引方法研究

针对通用航空飞行器(CAV)的再入飞行问题,研究了一种滑翔式再入飞行器的三自由度轨迹快速生成方法。该方法将再入轨迹分为初始下降段、过渡段和占大部分飞行时间的拟平衡滑翔段,引入拟平衡滑翔条件(QEGC),将过程约束转换成倾侧角制导律的上界。结合预测校正方法在线设计满足各种轨迹约束的倾侧角制导律,最后在计算机上进行制导仿真。仿真结果表明,该方法可快速地得到满足过程约束和目标要求的弹道。     

一种基于李群方法的新型三维制导律设计

使用李群方法设计了一种新型三维制导律。在俯仰、偏航通道之间存在强耦合关系时,基于双通道解耦的假设构造三维制导律变得困难,而基于李群方法则可以在不进行通道解耦的条件下进行制导律设计。本文首先基于矢量建立了三维制导的一般运动学模型,在给出了矢量的SO(3)群描述之后,按照SO(3)群上的广义比例 微分(PD)控制方式进行了制导律设计。所得到的三维制导律既能用于目标机动的制导,也能用于有终端约束的制导。该制导律在二维平面的简化结果与传统比例导引的结果一致。最后用典型飞行轨迹仿真验证了其可行性和良好的性能。     

考虑禁飞圆的滑翔式机动弹道与气动特性参数耦合设计

 为获得滑翔式再入飞行器最佳气动与弹道机动性能,针对规避禁飞圆的远程滑翔式再入问题提出了一种机动弹道与气动特性参数耦合设计方法。耦合设计外环以气动特性参数为设计变量,基于抛物阻力极线模型提取最大升阻比和对应升力系数为气动特性参数;耦合设计内环以泛化升力系数和侧倾角为设计变量,获得给定升阻特性下能规避禁飞圆且满足再入走廊要求的滑翔式再入轨迹。耦合设计问题以再入驻点总热流最小为优化目标,以再入走廊、终端位置和速度为约束,求解满足弹道机动要求且目标函数最小的最佳气动特性参数。提出了一种规避禁飞圆的侧向几何制导逻辑用于内环轨迹设计。仿真算例得出禁飞圆半径越大,需要的滑翔式再入飞行器最大升阻比越大,且再入轨迹刚好能绕过禁飞圆。仿真结果验证了耦合设计方法和侧向制导逻辑的有效性,该方法可为飞行器方案设计时的气动布局选型等工作提供参考。     

高速再入飞行器带落角约束末制导律研究

针对高速再入飞行器以预定角度攻击地面目标的要求,提出了一种基于Lyapunov稳定性定理的具有终端落角约束的末制导律.该制导律在纵向平面内将视线角及其角速率视为状态变量,合理构造Lyapunov函数,通过调节Lyapunov函数的系数,保证以期望的落角击中目标.该导引律不需增加任何制导观测信息,就可以有效满足落角约束要求.最后,以CAV-H为对象进行了三维仿真.仿真结果表明,该制导律能有效提高制导精度,并且多项性能指标均优于最优制导律.     

一种可重复使用再入飞行器的覆盖区求解方法

针对覆盖区的三个子问题——最大纵程问题、固定纵程下最大横程问题和内边界问题,设计了求解方法。在"r-V"空间内引入约束的对数表达形式简化了再入走廊的表达,提出了将再入轨迹分为"初始下降段、边界跟踪段和终端调整段"三段设计的轨迹规划方法,通过终端调整段的设计满足了再入终点的高度要求。为了跟踪所规划轨迹,引入了准平衡滑翔条件获取解析制导律。沿走廊上边界飞行获得最大纵程点;通过平移"边界跟踪段"轨迹使其布满再入走廊,解决固定纵程下的最大横程问题,获得外边界;而沿走廊下边界飞行获得覆盖区内边界。仿真结果表明方法快速、可行,在再入飞行器性能评估、再入任务设计和再入制导律评估等环节中具有工程应用价值。     

高超声速滑翔飞行器约束预测校正再入制导

针对大升阻比高超声速滑翔飞行器的再入制导问题,将再入轨迹划分为初始下降段、过渡段和准平衡滑翔段。初始下降段采用定倾侧角飞行,过渡段在最大倾侧角附近飞行,准平衡滑翔段利用数值预测校正方法和准平衡滑翔条件在线设计同时满足过程约束和终端约束的倾侧角制导律。通过标准条件和扰动条件下的仿真结果表明,这种制导律在满足各种约束的条件下,不仅能够达到较高的精度,而且对初始误差具有良好的鲁棒性,能够应付再入时各种不确定性因素的影响。     

基于Kalman滤波的空天飞行器再入制导算法

针对空天飞行器应用传统数值预测校正再入制导算法实时性不佳的问题,提出一种基于Kalman滤波的预测校正制导算法。该算法采取四阶多项式拟合速度-高度飞行剖面,利用Kalman滤波估计选定的速度点对应的高度,得到满足再入走廊及航程要求的拟合系数。在此基础上,减少一个终端约束,增加一个待估计剖面参数,可实现对再入过程飞行时间的调节。研究发现,再入过程中通过在线辨识修正不确定性参数能够提高制导指令的适应性;飞行末段利用跟踪参考剖面制导可有效避免飞行速度与终端速度接近时发生拟合系数求解发散的问题。多组不同再入条件下的算例仿真结果表明,基于Kalman滤波的空天飞行器再入制导算法实时性好,制导精度高,能够实现飞行时间可控,具有较强的鲁棒性和工程应用潜力。     

Sliding mode control based guidance law with impact angle constraint

The terminal guidance problem for an unpowered lifting reentry vehicle against a sta- tionary target is considered. In addition to attacking the target with high accuracy, the vehicle is also expected to achieve a desired impact angle. In this paper, a sliding mode control （SMC）-based guidance law is developed to satisfy the terminal angle constraint. Firstly, a specific sliding mode function is designed, and the terminal requirements can be achieved by enforcing both the sliding mode function and its derivative to zero at the end of the flight. Then, a backstepping approach is used to ensure the finite-time reaching phase of the sliding mode and the analytic expression of the control effort can be obtained. The trajectories generated by this method only depend on the initial and terminal conditions of the terminal phase and the instantaneous states of the vehicle. In order to test the performance of the proposed guidance law in practical application, numerical simulations are carried out by taking all the aerodynamic parameters into consideration. The effec- tiveness of the proposed guidance law is verified by the simulation results in various scenarios.     

Modified rolling guidance law for single moving mass controlled reentry vehicle against maneuvering target with impact angle constraints

This paper deals with the problem of guidance law design for the single moving mass controlled reentry vehicle when impact angle constraints and maneuvering target are taken into consideration. More specifically, a modified rolling guidance law is proposed with the interactive virtual target and the landing point prediction strategy. First, considering the fact that the roll channel can be controlled directly, the relative motion between the single moving mass controlled reentry vehicle and the ...     

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。     

高速再入飞行器的制导与控制系统设计

 针对高速再入飞行器模型的快时变,强耦合,严重非线性的特点,采用反馈线性化方法,设计了自动驾驶仪;同时采用最优制导律设计与理想速度曲线相结合的方法,设计了能同时保证末端制导精度及速度方向、大小的制导律。最后,进行了六自由度仿真,结果表明 :设计的制导律及控制方案是合理、有效的,易于实现。     

一种改进的最优制导律及其仿真研究

高速再入飞行器通常具有末制导系统，为保证末制导系统的正常工作，制导律的设计不但要保证末端制导精度，还要使飞行器以一定的速度到目标，提出了一种改进的最优制导律设计方法，得到了可以保证末端速度方向的制导律，速度大小控制通常靠理想速度曲线来保证，按一定的规则将最优制导律与理想速度曲线结合起来就得到了满足全部要求的制导律。仿真结果表明：所提出的改进的最优制导律是合理、有效的。     

An adaptive fast fixed-time guidance law with an impact angle constraint for intercepting maneuvering targets

Sliding mode guidance laws based on a conventional terminal sliding mode guarantees only finite-time convergence, which verifies that the settling time is required to be estimated by selecting appropriate initial launched conditions. However, rapid convergence to a desired impact angle within a uniform bounded finite time is important in most practical guidance applications. A uniformly finite-time/fixed-time convergent guidance law means that the convergence (settling) time is predefined independently on initial conditions, that is, a closed-loop convergence time can be estimated a priori by guidance parameters. In this paper, a novel adaptive fast fixed-time sliding mode guidance law to intercept maneuver targets at a desired impact angle from any initial heading angle, with no problems of singularity and chattering, is designed. The proposed guidance law achieves system stabilization within bounded settling time independent on initial conditions and achieves more rapid convergence than those of fixed-time stable control methods by accelerating the convergence rate when the system is close to the origin. The achieved acceleration-magnitude constraints are rigorously enforced, and the chattering-free property is guaranteed by adaptive switching gains. Extensive numerical simulations are presented to validate the efficiency and superiority of the proposed guidance law for different initial engagement geometries and impact angles.     

一种跳跃式返回再入的预测—校正制导方法

再入地球大气是探月飞船返回的关键阶段,再入制导是返回再入中的难点问题.飞船跳跃式再入过程复杂,标准轨道制导方法难以满足任务要求,因此具有高精度和强鲁棒性的预测—校正制导方法成为解决问题的首选.以探月飞船跳跃式再入为背景,设计了数值预测—校正制导律,研究了基于嵌套式积分算法的航程快速预报方法和基于有界试位法的倾侧角剖面快速更新算法,提出了一种气动系数误差和大气密度误差的在线参数辨识方法,并基于最大偏差法和蒙特卡洛打靶法进行了仿真分析.结果表明,预测—校正再入制导方法在跳跃式再入问题上具有较高的精度和较好的鲁棒性.5 000 km再入航程时,开伞点误差在2.5 km以内.     

Terminal Guidance for Impact Attitude Angle Constrained Flight Trajectories

The design of a suboptimal terminal guidance system for reentry vehicles with a constraint on the body attitude angle at impact is studied. Permissible range of the miss distance and the body attitude angle at impact is specified. The problem is formulated as a linear quadratic control problem. The Riccati equation is derived to provide time-varying feedback gains. The desired scheme is suboptimal. The region of initial states for which the system meets the specifications becomes smaller as the initial height of the reentry vehicle at initial time is decreased.