垂直起降运载火箭返回轨迹不确定性优化

针对垂直起降运载火箭一子级在返回着陆的过程中存在的参数不确定性,提出了一种基于非侵入式多项式混沌展开的序列优化和可靠度评估的返回轨迹不确定性优化方法。首先,建立了返回多飞行段轨迹在确定性条件下的优化模型。然后,为同时兼顾轨迹的鲁棒性和可靠性,建立了由鲁棒最优目标函数、基于可靠度的路径约束和鲁棒等式约束组成的不确定性返回轨迹优化模型。最后,基于非侵入式多项式混沌展开方法对鲁棒目标函数和等式约束进行量化处理,将原随机鲁棒优化问题转化为高维状态空间中的等价确定性优化问题;为提高路径约束的可靠度评估效率,基于非侵入式多项式混沌展开方法对最可能点法进行改进,进一步发展了序列优化和可靠度评估策略。数值仿真结果表明,所提出的不确定性优化方法具有较好的鲁棒性,可以满足工程可靠性指标要求,同时还具有较高的精度和计算效率。     

基于回收着陆段精细模型的飞船落点预报

针对载人飞船回收着陆阶段伞-舱系统运动轨迹受中高空水平气象风影响大的特点,研究建立了回收着陆段完备的伞-舱多体动力学模型,提出了回收着陆轨迹预报算法,分析比较了简化的三自由度动力学模型和精细的多体动力学模型的数值预报效果,并与“神舟八号”返回舱实时降落轨迹和实测落点位置进行了比较分析.结果表明,精细的伞-舱动力学模型为回收着陆气象风修正落点预报提供了更精确、更详细的信息,利用该模型预测返回降落轨迹和着陆落点位置,有助于减小飞船的搜救范围,缩短搜救时间.     

垂直起降重复使用运载器返回制导与控制

针对垂直起降可重复使用运载器返回全程非线性、高动态、强扰动、多约束条件下的精确着陆问题，开展适应各飞行段任务特性和需求的返回全程制导控制方法研究。首先分析返回全剖面各飞行段的特点及对制导控制的需求，建立了动力学模型；然后基于经典制导控制方法给出可行的返回全程制导控制方案，并针对其不足分别设计修航段基于剩余时间估计和几何关系目标点自适应更新的双层迭代制导、返回末段多约束自适应制导和返回全程自抗扰控制器，构建了自适应强抗扰新型返回全程制导控制方案；最后进行了数学仿真，通过对比分析经典制导控制方案和新型制导控制方案在小偏差/扰动和大偏差/扰动两种条件下的飞行状态，验证了新型制导控制方案下更高的着陆精度、更强的适应性和抗扰性。     

考虑交接班误差的RLV进场着陆轨迹和安全交接区设计

针对考虑交接班误差的重复使用运载器(RLV)无动力自动进场着陆段轨迹设计问题进行了研究。将整个自动进场着陆过程分成交接段、标称下滑段和标称拉平段3个阶段。在依据标称交接班状态、触地状态逆序完成拉平段、下滑段的标称轨迹设计的前提下,针对可能存在的交接班误差,提出一种综合考虑纵、侧向位置和速度交接班误差的交接段在线三维轨迹设计方法,并结合阻力舵调整策略,实现RLV从交接班点向标称轨迹的平滑过渡;然后,在交接段轨迹设计基础上提出了交接高度平面内"安全交接区域(SIA)"的概念及其求解方法。仿真结果表明:所提出的轨迹设计方法及SIA对存在交接班误差的无动力进场着陆轨迹设计问题具有实际的参考意义。     

基于ISODATA模糊系统的飞船落点选优方法

针对如何从基于分布式并行计算获得的数千个飞船返回过程预报落点中优选出＂最可能＂落点这一问题,在充分考虑以往返回落点计算的先验知识和最新落点信息的基础上,设计了飞船返回的自适应聚类模糊系统,采用含有时间因子的迭代自组织数据分析算法研究了返回舱落点优选方法。最后,利用＂神舟八号＂返回落点实测数据进行模型检验。计算结果表明,该方法的落点预报精度较传统选优算法的预报精度高50%以上,同时具有较好的稳定性,可为飞船返回搜救提供技术支撑。     

航天器进入制导方法综述

航天器制导系统的设计至关重要,直接关乎航天器能否安全返回地球或着陆行星表面指定区域。在给出航天器进入动力学模型的基础上,首先分析了进入制导问题建立及难点,然后综述了航天器进入制导方法的研究现状,分析了各类进入制导方法的优缺点。作为统一或通用方法,介绍了实际应用于中国航天工程再入返回的自适应预测校正制导方法。面向未来发展亟待解决的问题,在线快速规划可行轨迹的重要性凸显,分析了在线轨迹规划方法所需要解决的问题以及今后进入制导方法的发展方向。     

TSTO运载器一级返场轨迹优化设计与在线生成

对水平起降两级入轨（TSTO）运载器一子级返场轨迹优化和轨迹在线生成问题进行了研究。首先，给出了较独特的一子级再入轨迹设计策略：先给定侧向剖面，再分段优化求解三维轨迹。针对返场过程的大幅转向需求，设计了形式简单的倾侧角-航向角偏差剖面，并定义了具有不同任务的航向转弯段和航向微调段；针对一子级宽速域气动变化显著特点，为避免轨迹跳跃，定义了增高减速段和下降滑翔段，并采用分段优化策略求解三维轨迹。其次，针对分离扰动造成的一子级初始状态偏差，扩展了自适应高维伪谱插值（AMPI）算法的参数空间，并将其应用于返场轨迹在线生成问题。仿真结果表明，设计的倾侧角剖面能够在倾侧角不翻转的前提下调整飞行航向对准着陆场，设计的分段优化策略能够保证高度曲线平稳无跳跃，采用的自适应高维伪谱插值算法能够在分离扰动影响下快速准确地实现在线轨迹生成。     

基于偏置比例导引与凸优化的火箭垂直着陆制导

凸优化由于求解效率高在飞行器轨迹规划和制导中得到广泛研究应用。但是，由于火箭垂直返回制导需要考虑气动力带来的非线性，现有的凸优化求解方法或简单地采取逐次线性化近似凸化最优控制问题，经常出现收敛性问题；或需针对具体问题进行相应的系列凸化剪裁，虽然改善了收敛性，但不同模型的凸化剪裁方法差别很大，通用性较差。为此，将偏置比例导引与凸优化相结合，用以求解存在落角、落速和推力范围约束的火箭垂直返回定点软着陆制导问题。提出的制导方法将该制导问题分解为法向满足落角与落点约束的偏置比例导引，以及切向满足速度与推力约束的凸优化和滚动时域控制制导。在切向制导中，提出利用三次多项式近似飞行轨迹以方便凸优化求解，并建立剩余飞行时间的估算方法以提供给比例导引。仿真结果表明，提出的制导方法能有效满足各种约束，实现火箭精确着陆。与现有的直接采取逐次线性化近似的凸优化方法相比，提出的方法由于将制导进行切向和法向分解，大为简化了凸优化模型，显著提高了求解效率和收敛性。此外，提出的方法无需复杂繁琐的凸化处理，对于一般的推力可控且对末速存在约束的固定终端位置的制导问题皆适用。     

RLV双层迭代末端能量管理段轨迹设计方法

针对可重复使用运载器末端能量管理段初始状态存在大范围摄动问题，提出一种双层迭代末端能量管理段轨迹设计方法。首先，将地面轨迹设计问题简化为求两直线公切圆问题，仅需改变单一参数即可大范围调节航程，得到可行地面轨迹；针对纵向平面，提出双层迭代轨迹设计算法，内层迭代剖面参数保证飞行器满足末端状态约束，外层迭代地面轨迹参数改变航程。然后，提出了制导方法和双层迭代校正算法，并开展了仿真计算及分析。研究结果表明，在初始状态存在大范围散布情况下，所提算法均可得到满足需求的地面轨迹和纵向剖面参数，保证飞行器顺利到达自动着陆窗口，末端状态误差较小，具备较强的鲁棒性。     

考虑杆臂效应与挠曲变形的全自动着舰技术

联合精确进近和着陆系统（JPALS）舰载组件旨在为最终进近阶段的舰载机提供自动着舰能力。针对由于舰船杆臂效应与挠曲变形的存在导致舰载机着舰定位精度下降的问题,开发了一种基于卫星引导的全自动着舰非线性化参数误差模型,结合舰船甲板运动及舰载机纵向飞行控制模型,评估舰船结构挠曲和姿态不确定性对着舰落点精度的影响。结果表明,杆臂效应与挠曲变形对着舰落点精度有显著影响,利用建立的误差模型以及飞行控制模型,能够将着舰落点精度有效控制在着舰标准之内。     

扰动环境下火星精确着陆自主轨迹规划方法

针对扰动环境下火星精确着陆动力下降段自主轨迹规划问题,在终端时间自由条件下,研究了基于序列凸优化方法的自主轨迹规划方法。首先,在终端自由情况下,建立初始状态无扰动轨迹预规划问题。其次,结合鲁棒Tube-MPC思想,针对线性反馈控制律,建立扰动环境下着陆轨迹重规划问题,分析重规划问题的可行性,给出了预规划问题可行的必要性条件,为控制参数的选取提供参考,提出扰动环境下火星精确着陆自主轨迹规划框架。然后,针对终端自由问题,将飞行时域映射到单位时间,建立序列凸优化子问题,对子问题进行线性近似,使用序列凸优化方法进行求解并分析了收敛解的最优性。最后,进行数值仿真,验证扰动环境下火星精确着陆自主轨迹规划方法的有效性。     

可重复使用运载火箭返回段低温流体行为特性

可重复使用运载火箭在返回段复杂干扰作用下，贮箱内低温推进剂与高温气枕剧烈掺混，造成贮箱压力下降、推进剂温度升高等问题。针对垂直起降（VTVL）运载火箭返回段推进剂掺混及重定位过程开展研究，首次建立了液氧掺混后行为特性仿真模型并通过加速落塔试验进行验证，研究垂直起降运载火箭返回段复杂干扰作用下低温流体行为特性，获得推进剂形态、贮箱压力、推进剂温度及蒸发量等变化规律，为推进剂管理系统及增补压方案设计提供支撑。     

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。     

基于统计分析模型的飞行器落点预报方法

目前飞行器落点预报主要采用人机交互方式进行处理,而不同人员计算出的结果存在较大差异.针对该问题,提出了一种基于四阶龙格库塔计算方法的落点预报分布式计算统计分析模型.该模型根据飞行器的运行轨迹特性和在无动力、无控制、常质量段的预报落点具有集中分布的特点,采用零假设和备择假设统计方法对预报落点过滤选择,并对有效预报落点求其数学期望值.采用实际测量数据对所提出的模型进行了可行性和有效性验证,试验结果表明,该模型不仅具有较强的实时性、稳定性,而且当飞行器运行距离在数千千米时,该方法计算出的平面位置误差仅为几十米.     

探月返回跳跃式再入标称轨迹制导律

针对目前大多数跳跃式再入制导方案在初次再入段采用数值预测-校正算法存在的计算量较大、在线应用困难的问题,提出了一种新的跳跃式再入标称轨迹制导方案。整条标称轨迹通过离线轨迹规划算法得到。在初次再入段,采用非线性预测控制算法来跟踪阻力加速度-能量剖面,将预测跟踪误差表示为依赖于控制量的截断泰勒展开式,然后寻找使得特定目标函数最小的控制量。进入二次再入段,采用类似于阿波罗末段制导的线性反馈跟踪方式,PID控制器系数通过插值得到。最后,在考虑各种误差的情况下进行了500次蒙特卡洛仿真,仿真结果表明制导律的精度较高,鲁棒性较好。     

基于轨迹映射的无人机拖曳式空中回收轨迹优化

针对无人机拖曳式空中回收过程中的轨迹优化问题，提出一种基于轨迹映射的无人机回收轨迹在线优化方法。首先，建立包括缆绳-浮标-无人机组合体的运动模型、机翼折叠模型在内的空中回收系统模型。随后，提出轨迹映射的思想，利用双向长短期记忆（BiLSTM）神经网络建立回收系统中回收指令和回收轨迹之间的精确映射关系。然后，利用轨迹映射网络实时预测不同指令下的回收轨迹，并根据计算的预测轨迹代价利用粒子群优化（PSO）算法优化得到最佳回收指令。最后，仿真结果表明：所提的轨迹映射网络具有较高的预测精度和计算速度，所提的方法可以优化出使无人机稳定快速回收的轨迹。     

民用飞机自动着陆纵向控制研究

研究了某型民用飞机自动着陆纵向轨迹设计及控制.针对民用飞机自动着陆的特点,设计了纵向下滑轨迹;为达到高度、速度轨迹跟踪的目的,设计了纵向下滑控制律,并使用Matlab-simulink软件进行数值仿真,仿真结果表明,所设计的控制律能够使飞机准确地跟踪期望轨迹并满足着陆要求.     

进场着陆飞行品质的地面试验研究

针对电传控制增稳飞机进行了进场着陆的飞行品质地面模拟试验研究，验证了适合于进场着陆的控制律，并得出一些重要的有关进场着陆的驾驶员评定意见。此外，还计算了轨迹角超调值，验证了该参数数可以作为一个重要的飞行品质准则。     

基于机动襟翼的大型飞机直接升力控制方法

分析当前大型飞机着陆过程安全性低、精度差的原因,提出采用机动襟翼提供直接升力控制的飞机着陆纵向控制方案,设计采用迎角、空速、升降速度、升降加速度反馈及PID控制的综合着陆纵向解耦控制结构,使飞机实现着陆纵向轨迹和姿态的准动态解耦控制,并且使着陆轨迹控制和姿态控制均达到动态性能要求,从而提高飞机着陆的安全性和着陆精度。采用基于遗传算法的优化过程,实现对多通道多参数着陆纵向控制律的优化设计。对某大型飞机进行了着陆纵向控制律设计及仿真分析,表明所采用的着陆纵向控制方案可行,所设计的控制结构能够保证大型飞机的着陆安全,并提高了着陆精度。     

飞机着陆系统的一种鲁棒H∞控制器设计

利用鲁棒H∞控制理论设计了某型飞机的自动着陆系统，讨论了飞机自动着陆过程的要求，分析了系统中可能受到的干扰，之后建立了H∞控制问题的系统模型，针对飞机着陆时的要求设计了一种鲁棒H∞控制器以抑制阵风的影响，仿真结果表明，所设计的控制器对自动着陆时的干扰具有较好的抑制能力，能使飞机很好地跟踪希望轨迹并满足着陆指标的要求。