基于傅里叶展开的电动力绳系卫星最优控制

电动力绳系卫星的推力幅值较小且方向固定,完成轨道机动任务的周期长,其最优控制问题的求解比较困难.采用在傅里叶空间描述的轨道动力学模型,将控制量电流表示为傅里叶级数的形式,并推导了用傅里叶系数作为参量的椭圆轨道运动的平均轨道根数方程.在此基础上构造了电动力绳系卫星轨道机动的最优控制模型,通过直接配置法将其转化为非线性规划...     

亚轨道飞行器再入可达域快速计算方法

再入可达域的快速准确计算,对于亚轨道飞行器可行着陆点的选择起着至关重要的作用.针对亚轨道再入可达域问题的特点,通过定义加权的横程、纵程组合性能指标函数,将可达域求解问题转化为组合性能指标最优的控制问题,采用求解精度高、收敛速度快的勒让德伪谱法快速计算得到再入可达域.仿真结果表明,该方法不仅能保持动力学模型精度,所得可达...     

基于配点法的轨道在线优化方法研究

针对传统轨道优化方法无法应用于轨道在线优化的问题,提出了三阶辛普森配点法结合乘子法求解轨道在线优化问题的方法.首先建立变轨的最优化模型;然后,用三阶辛普森配点法将该最优控制问题转化为受约束的非线性规划问题;最后,采用增广拉格朗日乘子法对转化得来的受约束的非线性规划问题进行求解.仿真结果表明,所提出的方法可以得到高精度的轨道优化结果,并且对状态量和控制量的初值选取不敏感,且仿真具有实时性,计算速度快,可以达到在线进行轨道优化的要求.     

普适变量下的最优控制求解研究

研究了普适变量下状态方程的最优控制问题.在消除奇点的轨道根数的基础上,建立了普适变量下适合圆锥曲线求解的摄动方程.利用Gauss伪谱法对摄动方程进行了最优控制求解和仿真验证.计算过程及仿真结果表明,所建立的摄动方程以及所用的Gauss法能够满足各种约束条件,便于对发动机进行控制,且在零倾角轨道情况下不产生奇异.     

非合作目标交会的双层MPC全局轨迹规划控制

针对空间非合作目标近距离视线交会中的全局最优鲁棒轨迹规划与控制问题,提出了基于高斯伪谱方法（GPM）和线性时变模型预测控制（LTVMPC）的双层模型预测控制（MPC）算法。在轨迹规划方面,以视线坐标系下的相对轨道动力学为模型、能量最少和控制精度最优为性能指标构建最优控制问题,利用GPM精度高、收敛速度快的特点将最优控制问题转化为易于求解的全局非线性规划问题,在MPC框架下求解得到全局最优的标称轨迹,克服了传统的MPC不适用于全局大范围非线性规划的缺点;在轨迹跟踪控制方面,考虑预测时域内状态转移矩阵的时变特性,设计了LTVMPC算法对标称轨迹进行追踪,避免了存在不确定性时轨迹的重规划,从而降低在线计算量,保证算法在线自主实施,并且采用滚动优化的策略使算法对不确定性具有鲁棒性。由于规划层和控制层考虑的约束相同,因此规划的轨迹是可控、可达的。数字仿真表明,在燃料消耗和交会时间等方面,提出的方法均显著优于传统的MPC方法,相较于传统的MPC方法,新算法的交会时间减少50%左右,燃料消耗降低30%以上。     

应用非线性模型预测控制的绳系卫星Halo轨道保持控制

针对哑铃型绳系卫星在圆形限制性三体问题(CRTBP)中的Halo轨道保持控制问题,应用非线性模型预测控制(NMPC)方法设计了Halo轨道保持控制器。首先采用摄动法得到目标Halo轨道,通过跟踪目标轨道上一运动点,将其转化为目标跟踪控制问题,然后设计非线性模型预测控制器对其进行跟踪控制。利用4阶Ronge-Kutta法对原非线性模型进行离散化,将预测控制中的有限时域最优问题转化为非线性规划问题进行求解,得到下一周期的控制量。最后通过数值仿真验证了即使在初始位置偏差较大的情况下,所设计的控制器只需要很少的速度增量就可使绳系卫星系统运动至目标轨道,并精确地保持在目标轨道上。     

绳系卫星轨道转移的最优控制

考虑系绳的弹性以及复杂状态和控制约束的作用,研究了绳系卫星面内轨道转移的最优控制问题。借助Gauss伪谱算法,将绳系卫星轨道转移的连续时间最优控制问题离散为大规模动态规划问题,进而利用非线性规划方法进行求解。通过数值模拟计算了子星最优转移轨道及最优控制力。结果表明:在满足相关约束的条件下,通过调节系绳张力可将子星从主星下方转移到上方的平衡位置,精确地实现子星轨道转移,并使得轨道转移过程呈现出良好的光滑性和对称性。最后基于协态映射定理对解的最优性进行了验证。     

探月飞船跳跃式再入轨迹可达域分析

针对探月飞船跳跃式再入轨迹分段多、段与段相互耦合、可达域求解与分析较直接再入更加困难的问题,给出了跳跃式再入轨迹可达域的数学描述,在此基础上将可达域求解问题拆分为两类最优控制问题,并建立了相应的优化模型。采用基于高斯伪谱法的两步优化策略进行求解,得到了跳跃式再入轨迹可达域边界。最后分析了初始条件(再入角、再入方位角)对可达域的影响。仿真结果表明两步优化策略能兼顾计算精度和计算效率。     

基于高斯伪谱法的飞机下降段轨迹优化

以大型运输机为研究对象,进行风干扰下的飞机下降段轨迹优化.通过对飞机下降过程的分析,建立了飞机的运动学模型、油耗模型和大气模型,得出了问题的目标函数和约束.运用高斯伪谱法把最优控制问题转化为非线性规划问题,并用序列二次规划求解非线性规划问题.仿真计算得到飞机最短下降时间的最优轨迹,讨论了不同的成本指数对下降时间和燃油消耗的影响.仿真结果表明,成本指数越大,飞机下降时间越短,燃油消耗越多.     

单OSV服务多卫星的转移轨道优化研究

利用混合法解决了有限推力作用下单OSV服务多卫星的转移轨道优化问题.首先从OSV携带燃料的角度出发,初步筛选出在其服务范围内的服务对象,基于双脉冲交会假设,确定了服务序列以及时间节点;其次针对每一段转移轨道,利用Pontryagin极小值原理推导出最优控制律,设定开-关-开的发动机工作方式,将初始协态变量和开关机时间进行参数化处理,采用遗传算法对非线性规划问题进行求解;最后对整条轨道进行拼接优化.仿真结果表明,混合法对协态变量初值猜测敏感性小,降低了搜索最优转移轨道的难度,且控制轨线光滑.     

结冰飞机着陆阶段飞行安全包线确定及操纵应对策略

结冰会导致飞行安全包线收缩、严重威胁飞行安全,研究结冰后安全包线变化对于操纵应对策略设计及提高飞行安全具有重要意义。以美国国家航空航天局（NASA）的项目飞机GTM（Generic Transport Model）为研究对象,通过对飞机的气动参数进行多项式拟合,建立了结冰飞机纵向通道的动力学模型。为了得到能随结冰程度变化的安全包线,将可达性分析理论引入到对结冰飞机着陆过程的安全性分析。提出将正向可达集与反向可达集的交集作为飞行安全包线,其中可达集的确定是基于水平集方法求解哈密尔顿-雅克比方程的最优解。最后针对不同程度的结冰条件进行了操纵时域验证,并提出了相应的操纵控制策略。研究结果表明,轻度结冰对安全包线影响较小,整个着陆过程的飞行状态始终能在最优控制指导下保持在安全包线以内;但对于重度结冰,飞行安全包线收缩严重,常规操纵已经很难使飞机达到着陆要求,需要进行飞行状态改出处理。研究结果为指导飞行操纵及实时包线保护打下基础。     

Dryden型大气紊流对平流层飞艇能量最优轨迹影响

研究了常值风场作用下平流层飞艇的上升段轨迹优化和大气紊流对最优轨迹的影响问题。首先基于平流层飞艇的受力分析,建立了考虑常值风场、地球自转和飞艇质量变化等诸多因素的三自由度动力学模型,处理参数得到归一化的系统方程;其次采用直接配点法将平流层飞艇的最优轨迹问题转换为非线性规划问题,以最小能量为目标函数,给出非线性规划问题的求解策略,优化得出可行解后对飞艇的最优上升轨迹及相应的加速度项进行了分析,将优化的控制量代入微分方程验证了优化轨迹的准确性;最后加入Dryden型大气紊流的干扰,选取多组大气紊流干扰下的数据进行对比分析,仿真结果表明大气紊流叠加风场均值与飞艇终端位置误差存在一定规律,分析并提出了平流层飞艇抵御大气紊流干扰的策略。     

飞行器栖落机动轨迹可达域分析

飞行器的栖落机动被认为是解决舰载固定翼飞机超短距精确着舰的一种可行方式,已有研究主要集中于栖落过程大迎角气动力建模、标称栖落轨迹优化与轨迹跟踪控制,而鲜有对栖落着舰任务的总体分析。基于飞行器纵向栖落机动动力学模型,引入栖落轨迹可达域的概念,并给出可达域的数学描述;在此基础上,对可达域求解采用计算速度和精度兼具的高斯伪谱法,将可达域问题拆分为三个轨迹优化问题依次求解,首先求解栖落轨迹终端高度上边界,然后求解终端高度一定时的最近轨迹,最后求解终端高度一定时的最远轨迹,并给出相应的轨迹优化数学模型。结果表明：运用该模型及求解方法能快速得到计算结果,无动力飞行器的纵向栖落轨迹可达域为上窄下宽的不对称区域,且左右边界曲线线性度较好。     

过虚拟交班点的能量最优制导律

针对固定目标的导弹过虚拟交班点制导问题，在希尔伯特空间下，基于最优化理论设计了有无终端落角约束两种情况下的全局能量最优制导律。通过对模型进行线性化，将提出的最优制导模型转化为线性二次型最优控制问题，在此基础上利用零控脱靶量（ZEM）概念对系统模型进行降阶，并推导出解析解。设计的制导律可以使导弹准确经过虚拟交班点，并实现期望终端落角。仿真结果表明，与经典制导律对比，该制导律可以显著减少全局控制能量消耗。     

特征趋势分区Gauss伪谱法解再入轨迹规划问题

针对强约束下的滑翔再入轨迹规划问题,采用基于特征趋势分区的Gauss伪谱法将连续最优问题转换为多个并行非线性规划问题并对其进行求解。针对传统拟谱方法在处理状态受限时,非平滑最优控制解难以收敛的问题,引入Sobolev空间证明了分区并行的收敛性和一致性。基于Letts准则提出了非连续特征趋势提取方法,通过分析离散点配置导数进行了可变分区的迭代设定,并结合导数变化趋势给出了各分区的动态配点数。利用不同阶次的多项式进行精度逼近,保证了在考虑多项强约束条件下弹道规划的可行解获取。结合状态分区的策略进行离线状态的分解,提高了计算效率。最终针对典型的再入应用进行了轨迹规划应用。仿真结果表明,所提出的方法可有效应对多种约束条件,能够根据飞行器的气动能力规划出可行的轨迹,过程条件满足约束,且可适应气动力20%的拉偏范围。     

Reachable set estimation for spacecraft relative motion based on bang-bang principle

For spacecraft formation flight, the information of relative motion reachable set is very important, which can be used to predict the operating boundary of adjacent spacecraft and thus to ensure the safety of spacecraft operation. In this paper, we aim at developing a numerical method to approximate the reachable set for spacecraft relative motion. In particular, we focus on the quality of the approximation and the computational cost. Based on the bang-bang control principle, a polyhedral approximation algorithm is proposed to compute the reachable set of a relative motion spacecraft system. An inner approximation and an outer approximation of the reachable set for the system can be obtained. We prove that the approximation quality measured in Hausdorff distance can be guaranteed. The method is easy to implement and has low computational cost. Finally, the effectiveness of the algorithm is demonstrated by experimental simulation.     

基于高斯伪谱法的吸气式高超声速飞行器爬升弹道优化研究

吸气式高超声速飞行器爬升弹道设计是其总体设计的一个重要问题。这里提出一种基于高斯伪谱法的弹道优化方法,用于解决该问题。以末端弹道倾角为性能指标,飞行攻角为设计变量,建立了飞行器纵平面弹道优化模型。通过高斯伪谱法对状态变量和控制变量进行离散,将最优控制问题转化为非线性规划问题,再利用序列二次规划算法对其进一步求解。仿真结果表明,该方法收敛域大,对初值不敏感,设计精度高,是吸气式高超声速飞行器方案弹道优化的重要方法。     

Impact time control guidance against maneuvering targets based on a nonlinear virtual relative model

Aiming at the problem of high-precision interception of air-maneuvering targets with impact time constraints, this paper proposes a novel guidance law based on a nonlinear virtual relative model in which the origin is attached to the target. In this way, the original maneuvering target is transformed into a stationary one. A polynomial function of the guidance command in the range domain with two unknown coefficients is introduced into the virtual model, one of the coefficients is determined to ...     

基于控制变量参数化的主动反拦截突防最优控制计算方法

针对由于敌防空系统防御能力不断提高所带来的进攻导弹突防难题,提出主动反拦截突防(IAIP)的概念,以弥补传统机动突防仅考虑进攻导弹的逃逸而忽略其攻击任务的缺陷。根据IAIP制导的内涵,在综合考虑目标的机动性能、拦截导弹末段的拦截特性及进攻导弹的控制系统性能的基础上,建立进攻导弹-目标-拦截导弹的三体运动模型。将突防制导指令的设计等效为最优控制的求解,其中突防指令为实现燃料最省目标的最优解,进攻导弹的过载、拦截导弹的脱靶量、进攻导弹的攻击角、打击精度和突防后的视线角,分别为控制约束、路径约束和末端约束。借鉴控制变量参数化(CVP)方法将最优控制问题转化为非线性数学规划问题,并将路径约束离散化后采用序列二次规划(SQP)算法得到突防时机给定条件下制导指令的数值解。提出基于CVP的混合遗传算法(CVP-GA),用于求解最优突防时机及制导指令。仿真结果显示,采用IAIP最优控制算法的进攻导弹在成功突防后的打击精度仍可满足任务要求,且其燃料消耗相对于传统串联式突防方法降低了23.7%,验证了该方法的有效性及优越性。     

基于欧拉方程的二维振荡机翼非定常气动设计反命题方法

建立了基于欧拉方程组的二维振荡机翼非定常气动设计反命题方法的数学模型.通过一系列变换,将物理时空中的求解域转换成映象坐标系中的规范区域;并导出了映象坐标下的欧拉方程,结合非定常反命题的边界条件,便可用有限差分方法求解.本方法引入映象坐标系解决反命题边界形状的不确定性,并能利用欧拉方程现有的各种差分格式于反命题求解.