一种在线再入侧向制导方法

侧向制导是飞行器再入制导的重要组成部分,由于传统侧向制导方法不能对倾侧角反转次数进行在线优化,往往会给再入飞行器姿态控制系统的设计带来沉重负担.为此,利用伪谱法可在线快速求解优化问题的特点,提出了一种基于伪谱法的在线再入侧向制导方法,并结合纵向预测校正制导法进行再入制导解算以缩减优化规模.仿真结果表明,在保证制导精度的前提下,所提方法有效地减少了倾侧角反转次数.     

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。     

基于任务安全性的亚轨道飞行器返回轨迹优化

基于高斯伪谱法,结合亚轨道飞行器返回段特点,从任务安全性的角度出发进行了返回轨迹优化研究。出于实际控制能力及安全性的考虑,采用伪控制量作为最优控制变量,摒弃了再入分段、末端区域能量管理段、航向校正圆锥等概念,引入"末端进场走廊"来描述性能指标及终端约束。仿真结果表明,在满足各种约束条件下,能够快速准确地生成亚轨道飞行器返回轨迹,同时验证了结果的可行性与最优性。     

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。     

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。     

基于滚动时域的舰载机甲板运动轨迹跟踪最优控制

针对单机滑行、无杆牵引系统以及有杆牵引系统的轨迹跟踪问题进行了研究。首先，将这3种系统的轨迹跟踪问题转化为最优控制问题，并建立了连续非线性舰载机系统的轨迹跟踪模型。然后，基于第3类生成函数，提出了适用范围更广的全状态保辛伪谱算法，并结合滚动时域理论提出了基于滚动时域（RHC）的在线跟踪最优控制方法，证明了所提算法是一种保辛算法。基于所提出的在线跟踪算法，对单机滑行、无杆牵引系统、有杆牵引系统在存在初始偏差和持续外界扰动情况下的轨迹跟踪问题分别进行了研究，并与BackwardSweep方法进行对比分析，结果表明本文所提出的跟踪算法可以有效地解决具有控制约束和状态约束的轨迹跟踪问题，并可以更高的跟踪精度和计算效率对标准轨迹进行跟踪，可完全满足实时跟踪的要求。最后，分别从初始偏差和持续外界扰动的角度研究了这3种不同方式的跟踪特性。     

基于凸优化的再入轨迹三维剖面规划方法

可重复使用飞行器一般采用大升阻比气动外形，再入轨迹三维剖面规划方法可充分发挥这类飞行器固有的机动能力。计算量大是制约三维剖面规划应用的难题，为提高计算效率，提出了一种基于凸优化的再入轨迹三维剖面规划方法。首先，分析运动方程特性，利用定义新的控制变量、约束松弛、连续线性化等技术，将原始非凸的三维剖面规划问题转化为一个凸优化问题。其次，将指令反解步骤嵌入至序列凸化算法中，通过迭代求解凸优化子问题，获得原问题的可行解。数值仿真结果表明所提方法具有较高的求解精度和确定的收敛性质，飞行器的机动能力得到充分发挥；与伪谱法的结果对比表明凸优化方法在轨迹规划问题上具有更高的求解效率。     

基于参数化轨迹的TAEM段在线制导方法

针对可重复使用运载器末端能量管理阶段的在线轨迹生成与制导问题,研究了一种基于参数化轨迹描述且不依赖在线积分推演与气动辨识的三维轨迹预测-校正制导算法。首先,设计了由动压上边界、下边界和最大能量边界构成的动压包线,由一个参数对包线内的动压剖面进行描述,采用离线计算的方式预先获得飞行航程随动压剖面参数、倾侧角和能量高度变化的关系并存为三维数表。随后,根据当前状态和地面航迹参数计算得到各飞行阶段地面航程信息,在待飞航程的预测中,考虑侧向机动的航程损失和模型偏差影响,采用分段查表和在线估计航程修正系数的方法对预测航程进行了两次修正。最后,研究了约束条件下的多轨迹参数连续更新策略,以保证消除航程偏差的同时轨迹具有适宜性。仿真结果表明,该方法对于初始位置、能量状态散布不敏感,其末端位置控制精度保持在米级。完成单次轨迹预测-校正的时间不超过2.3 ms,拥有较高的在线预测效率,对突发故障造成的模型偏差具有较强的适应能力。     

基于C/GMRES模型预测控制的滑翔段轨迹跟踪研究

针对使用非线性模型预测控制方法进行再入飞行器滑翔段轨迹跟踪时计算量大、耗时长的问题,采用了一种基于延拓法的广义极小残差数值算法(C/GMRES)快速解算非线性模型预测控制中的优化问题。首先给出了滑翔段纵向运动方程;然后采用基于C/GMRES算法的非线性模型预测控制律进行纵向轨迹跟踪并离线规划航向角误差走廊;最后采用倾侧反转策略改变倾侧角的符号以实现横向轨迹控制。仿真结果表明:C/GMRES算法的引入有效解决了传统方法求解两点边值问题时耗时长的问题,同时该轨迹跟踪控制律对初始状态扰动和动态干扰具有较强的鲁棒性。     

Autonomous gliding entry guidance with geographic constraints

This paper presents a novel three-dimensional autonomous entry guidance for relatively high lift-to-drag ratio vehicles satisfying geographic constraints and other path constraints. The guidance is composed of onboard trajectory planning and robust trajectory tracking. For trajectory planning, a longitudinal sub-planner is introduced to generate a feasible drag-versus-energy profile by using the interpolation between upper boundary and lower boundary of entry corridor to get the desired trajectory length. The associated magnitude of the bank angle can be specified by drag profile, while the sign of bank angle is determined by lateral sub-planner. Two-reverse mode is utilized to satisfy waypoint constraints and dynamic heading error corridor is utilized to satisfy no-fly zone constraints. The longitudinal and lateral sub-planners are iteratively employed until all of the path constraints are satisfied. For trajectory tracking, a novel tracking law based on the active disturbance rejection control is introduced. Finally, adaptability tests and Monte Carlo simulations of the entry guidance approach are performed. Results show that the proposed entry guidance approach can adapt to different entry missions and is able to make the vehicle reach the prescribed target point precisely in spite of geographic constraints.     

Particle swarm optimization applied to hypersonic reentry trajectories

This paper presents the novel use of the particle swarm optimization(PSO)to generate the end-to-end trajectory for hypersonic reentry vehicles in a quite simple formulation.The velocitydependent bank angle profile is developed to reduce the search space of unknown parameters based on the constrained PSO algorithm.The path constraints are enforced by setting the fitness function to be infinite on condition that the particles violate the maximum allowable values.The PSO algorithm also provides a much easier means to satisfy the terminal conditions by adding penalty terms to the fitness function.Furthermore,the approximate reentry landing footprint is fast constructed by incorporating an interpolation model into the standardized bank angle profiles.Numerical simulations demonstrate that the PSO method is a feasible and flexible tool to generate the end-to-end trajectory and landing footprint for hypersonic reentry vehicles.     

Footprint Problem with Angle of Attack Optimization for High Lifting Reentry Vehicle

A formal analysis to footprint problem with effects of angle of attack (AOA) is presented. First a flexible and rapid standardized method for footprint generation is developed. Zero bank angle control strategy and the maximum crossrange method are used to obtain virtual target set; afterward, closed-loop bank angle guidance law is used to find footprint by solving closest approach problem for each element in virtual target set. Then based on quasi-equilibrium glide condition, the typical inequality reentry trajectory constraints are converted to angle of attack lower boundary constraint. Constrained by the lower boundary, an original and practical angle of attack parametric method is proposed. By using parametric angle of attack profile, optimization algorithm for angle of attack is designed and the impact of angle of attack to footprint is discussed. Simulations with different angle of attack profiles are presented to demonstrate the performance of the proposed footprint solution method and validity of optimal algorithm.     

Fast cooperative trajectory optimization and test verification for close-range satellite formation using Finite Fourier Series method

The process of formation reconfiguration for close-range satellite formation should take into account the risk of collisions between satellites. To this end, this paper presents a method to rapidly generate low-thrust collision-avoidance trajectories in the formation reconfiguration using Finite Fourier Series (FFS). The FFS method can rapidly generate the collision-avoidance three-dimensional trajectory. The results obtained by the FFS method are used as an initial guess in the Gauss Pseudospectral Method (GPM) solver to verify the applicability of the results. Compared with the GPM method, the FFS method needs very little computing time to obtain the results with very little difference in performance index. To verify the effectiveness, the proposed method is tested and validated by a formation control testbed. Three satellite simulators in the testbed are used to simulate two-dimensional satellite formation reconfiguration. The simulation and experimental results show that the FFS method can rapidly generate trajectories and effectively reduce the risk of collision between satellites. This fast trajectory generation method has great significance for on-line, constantly satellite formation reconfiguration.     

标准轨迹制导中准平衡滑翔条件优化研究

对于可重复使用运载器标准轨迹再入制导,准平衡滑翔条件可以将高度-速度平面内各项再入约束形成的飞行走廊,转换为倾侧角-速度空间内的倾侧角走廊.通过在倾侧角走廊内设计倾侧角曲线,可以生成满足飞行走廊的标准轨迹.通过论证标准轨迹再入制导过程中的准平衡滑翔条件及其物理意义,说明了由倾侧角走廊内的倾侧角曲线生成的标准轨迹,存在突破再入飞行走廊边界的可能性.通过对倾侧角走廊边界设置余度,极大地降低了标准轨迹突破再入飞行走廊边界的可能性,提高了标准轨迹的设计成功率.     

基于直接配点法的滑翔轨迹快速优化设计

介绍了基于五次Gauss-Lobatto多项式的直接配点法在再入飞行器三维轨迹最优化问题中的应用。首先给出了再入飞行器轨迹优化问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为到达指定地点飞行时间最短,控制变量则为无量纲升力系数和倾侧角。再入飞行过程中受到加热率、过载和动压约束,终端状态受到目标位置约束。然后,应用直接配点法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各节点和配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解。仿真结果表明直接配点法对于再入飞行器轨迹初始参数取值不敏感,且求解过程具有一定的实时性。