火星大气进入滑模自抗扰制导方法

针对火星探测器大气进入制导阶段存在着模型参数误差等不确定性,基于直接反馈线性化理论设计了一种滑模自抗扰进入制导方法。首先利用反馈线性化方法对跟踪系统模型进行线性化处理;在此基础上设计了滑模控制律,并利用线性扩张状态观测器估计系统的未知不确定量,在控制律中进行补偿;此外还给出了大气进入段的横向制导律。仿真结果表明,与反馈线性化方法相比,该方法设计的制导律有效地降低了模型参数误差对制导精度的影响,实现了对参考轨迹的良好跟踪,提高了探测器开伞点的精度。     

火星着陆器的大气进入段有限时间抗干扰制导律设计

考虑含有外部干扰影响下的火星着陆器的大气进入段制导律设计问题,提出一种基于阻力跟踪的复合制导策略。首先,根据火星着陆器的动力学模型,并结合阻力曲线定义,给出了含有外部干扰的阻力剖线动态方程;其次,为了保证系统有良好的抗干扰性能和较快的跟踪速度,基于阻力剖线动态方程,设计了有限时间反馈制导律;然后,为进一步提高系统的抗干扰能力,设计了干扰观测器,估计未知干扰,利用干扰估计值前馈补偿,最终形成复合制导律。最后,通过对比仿真验证了该方法的有效性和优越性。     

Mars entry fault-tolerant control via neural network and structure adaptive model inversion

The capability of autonomous fault detection and reconstruction is essential for future manned Mars exploration missions. Considering actuator failures and atmosphere uncertainties, we present a new active fault-tolerant control algorithm for Mars entry by use of neural network and structure adaptive model inversion. First, the online BP neural network is adopted to conduct the fault detection and isolation. Second, based on the structure adaptive model inversion, an adaptive neural network PID controller is developed for Mars entry fault-tolerant control. The normal PID controller will be automatically switched into neural network PID controller when an actuator fault is detected. Therefore, the error between the reference model and the output of the attitude control system would be adjusted to ensure the dynamic property of the entry vehicle. Finally, the effectiveness of the algorithm developed in this paper is confirmed by computer simulation.     

基于RCMAC网络的动态逆再入制导方法研究

针对升力式再入飞行器的制导问题,首先利用准平衡滑翔原理给出标准的阻力加速度．速度剖面,并对阻力加速度跟踪制导原理进行分析,然后利用自回归小脑模型神经网络（RCMAC）网络良好的非线性逼近能力、泛化能力和自学习能力,采用基于RCMAC网络的动态逆方法实现对阻力加速度的跟踪,并证明闭环系统的稳定性．三自由度仿真结果表明,该制导方式降低了动态逆方法对模型的依赖,增强了制导系统的鲁棒性．     

阻力和升力加速度指令快速解析与跟踪制导

针对升力式飞行器的滑翔段制导问题,提出一种阻力和升力加速度指令在线快速解析与跟踪制导方法。通过一维质点运动学解析并加权直接得到阻力加速度指令。引入虚拟目标和伪视线角的概念,将比例导引应用于滑翔段得到升力加速度指令。利用阻力加速度和攻角的单调性关系, 通过改变攻角跟踪阻力加速度指令。倾侧角用于辅助跟踪阻力加速度指令,满足给定条件后切换至跟踪升力加速度指令。航迹方向角的控制通过倾侧角按反转走廊边界改变正负号实现。动压、热流、过载等约束可通过相关敏感参数的设计得到满足。所提方法不依赖参考轨迹和攻角剖面,计算量小,可实现对终端速度和终端高度的高精度控制。      

Active disturbance rejection control for drag tracking in mars entry guidance

Future Mars missions will require precision landing capability, which motivates the need for entry closed-loop guidance schemes. A new tracking law – active disturbance rejection control (ADRC) – is presented in this paper. The ability of the ADRC tracking law to handle the atmospheric models and the vehicle’s aerodynamic errors is investigated. Monte Carlo simulations with dispersions in entry state variables, drag and lift coefficients, and atmospheric density show effectiveness of the proposed algorithm.     

火星大气进入段侧向预测校正制导律设计

火星大气进入段预测校正制导方法通常采用误差走廊来约束侧向运动,该方法只能满足侧向运动的末端约束,而无法实现对侧向运动过程约束的满足。将预测制导的方法引入侧向制导律设计中,该方法无需离线规划误差走廊,而是根据侧向运动中的相关约束,在线计算倾侧角反转时刻,从而同时满足侧向运动的末端约束与过程约束,并能够克服采用误差走廊可能导致的飞行器因频繁反转机动而使燃料过快消耗的问题。仿真结果表明:该侧向预测制导律不仅能满足开伞位置精度,同时也能实现对进入轨迹侧向运动的灵活规划。     

火星大气进入段抗饱和固定时间阻力加速度跟踪制导律设计

研究了具有固定时间收敛特性的火星探测器大气进入段的标称轨迹跟踪制导问题。首先，针对横向运动，给出与速度成线性关系的航向误差漏斗走廊形式，完成了倾侧角的反号逻辑设计。与横程漏斗走廊反号逻辑相比，该逻辑计算量小，更适用于宇航计算机。与航向误差宽度走廊反号逻辑相比，该逻辑在高速状态下能够避免倾侧角的频繁切换，可提高任务成功的概率。其次，针对纵向运动，通过RBF神经网络补偿了倾侧角饱和问题，利用积分滑模设计了阻力加速度固定时间饱和跟踪制导律，其不仅可有效消除滑模控制的抖振问题，且将跟踪误差以两种不同形式引入制导律，能够加速收敛，能够保证跟踪误差在固定时间内快速收敛至0。最后，通过数值仿真验证了所设计的横向倾侧角切换逻辑和纵向制导律对标称轨迹的快速、精确跟踪能力。     

Disturbance observer based model predictive control for accurate atmospheric entry of spacecraft

Facing the complex aerodynamic environment of Mars atmosphere, a composite atmospheric entry trajectory tracking strategy is investigated in this paper. External disturbances, initial states uncertainties and aerodynamic parameters uncertainties are the main problems. The composite strategy is designed to solve these problems and improve the accuracy of Mars atmospheric entry. This strategy includes a model predictive control for optimized trajectory tracking performance, as well as a disturbance observer based feedforward compensation for external disturbances and uncertainties attenuation. 500-run Monte Carlo simulations show that the proposed composite control scheme achieves more precise Mars atmospheric entry (3.8?km parachute deployment point distribution error) than the baseline control scheme (8.4?km) and integral control scheme (5.8?km).     

基于阻力跟踪的火星大气进入段非线性预测制导律设计

针对火星探测任务大气进入段的高精度着陆问题,提出一种基于阻力跟踪的非线性预测制导策略。基于火星探测器大气进入段的三维运动模型,综合考虑探测器气动参数摄动、火星大气密度摄动、外部扰动以及进入时刻状态初值不确定性,设计了基于优化思想的非线性预测制导律,并对所提出的制导方法进行仿真验证。仿真结果表明:非线性预测制导律在满足控制约束的条件下可以获得较高的着陆精度。     

非一致终端约束下火星大气进入段制导律设计

针对小升阻比的火星探测器在火星大气进入过程中所面临的难点问题,对火星大气进入过程制导方法进行了研究。首先在确知探测器弹道系数和升阻比的前提下,考虑过程量及开伞条件约束,优化设计再入飞行的初始再入角。然后考虑非一致终端约束和飞行器的有限机动能力,设计参考轨迹剖面,并确保其能提供足够的裕度来应付各种参数不确定性。最后设计标准轨道法制导律,完成轨迹有效跟踪,并通过六自由度仿真验证了算法的合理性,为火星着陆项目中大气进入段制导方案设计提供参考。     

Mars entry guidance using a semi-analytical method

Future Mars missions may require improved landed accuracy to facilitate the landing site selection and finally access a region of complex terrain with high scientific return. This paper is to develop a novel, robust, and precision entry guidance algorithm for Mars entry vehicles with low lift-to-drag ratios. In the presence of large uncertainties, the entry terminal point controller algorithm can encounter severe performance degradation due to: (1) the small perturbation assumption, and (2) theoretically ignoring deviations in the atmospheric-density model, aerodynamic-force model, etc. Based on numerical technologies and the classical variation method (VM), this work develops a semi-analytical (SA) algorithm, in which combined effects of several dynamic uncertainties now can be addressed. The terminal-downrange error is predicted by a numerical predictor such that the dependence on the reference trajectory can be reduced and then the issue caused by the small perturbation assumption can be addressed. Such a predicted terminal-downrange error is finally corrected by an analytical corrector, which is designed by the VM. It is indicative that there can be no numerical iterations in the SA algorithm. Numerical results demonstrate the effectiveness of the SA algorithm.     

Radio beacons/IMU integrated navigation for Mars entry

High precision entry navigation capability is essential for future Mars pinpoint landing missions, together with the entry guidance and aerodynamic lift control. This paper addresses the issue of Mars entry navigation using inertial measurement unit (IMU) and orbiting or surface radiometric beacons. The range and Doppler information sensed from orbiting or surface radio beacons and the entry vehicle state information derived from IMU are integrated in Unscented Kalman filter to correct the inertial constant bias and suppress the navigation measurement noise. Computer simulations show that the integrated navigation algorithm proposed in this paper can achieve 50 m position error and 2 m/s velocity error, which satisfies the need of future pinpoint Mars landing missions.     

基于改进多模型的火星大气进入自适应估计方法

针对火星进入过程中大气密度等不确定参数对导航系统状态估计精度的影响,提出了一种基于改进混合专家框架的多模型自适应估计方法。该方法对进入过程中不同的测量信息进行规范化处理,以克服传统多模型自适应估计方法稳定性差、数值下溢等固有缺陷,进一步提高状态估计精度。将其应用于火星不同进入探测方式下的导航场景进行仿真分析。仿真结果表明:该方法在动力学系统模型参数存在不确定扰动时能获得精确的状态估计,可以满足未来定点着陆探测对导航系统的精度需求。     

自适应关联波门机动群目标跟踪算法

为解决中心群跟踪（CGT）算法中由于群机动造成的量测丢失、估计误差增大的问题,提出了一种基于自适应关联波门的机动群目标跟踪算法。首先,将CGT算法与交互式多模型（IMM）算法结合,并利用最新量测信息对IMM算法中的转移概率矩阵进行实时修正。其次,设计了一种用于整体机动和分离机动的自适应关联波门,根据机动时刻模型的新息协方差对其进行自适应调整,确保量测点迹进入波门。仿真结果表明,所提算法一方面减小了传统固定转移概率矩阵带来的估计误差,将优势模型的平均概率由0.58增加到了0.7;另一方面,设计的自适应关联波门有效解决了目标机动带来的有效量测减少的问题,相比于传统波门,目标失跟率减少了30%,具备工程实用性。      

基于特征模型的再入飞行器制导律设计

研究了一种大升阻比的高超声速飞行器的再入制导问题．应用基于特征模型的自适应控制理论,提出了一种跟踪参考阻力加速度的制导方法,同时通过跟踪飞行方位角,来修正飞行器侧向航程．这种基于特征模型的自适应控制方法不需要通过数据拟合来获得气动升力与阻力的解析表达式,克服了飞行器在再入飞行中,气动数据不断变化时造成的困难．通过跟踪飞行方位角来修正倾斜角指令,可以获得比倾斜角翻转方法更精细的对侧向航程的控制能力．六自由度仿真结果表明,文中设计的制导方法可以达到调整侧向航程的目的,但其代价是损失总航程．     

一种火星大气密度三维解析模型

根据火星大气数据库,建立了以高度和经纬度为输入的火星三维解析大气密度模型;在竖直方向上,采用分层指数模型;在水平方向上,将指数模型中的参考密度和参考高度视为经纬度的多项式函数,并通过最小二乘曲面拟合得到了多项式系数。相比传统的指数模型,三维指数模型不仅反映了火星大气密度随高度的变化规律,而且能够体现出大气密度在水平方向上的变化。与大气数据库相比,三维密度模型具有解析形式,计算速度快,仿真过程中只需存储简单的多项式系数即可实现密度的实时计算和调用,适用于地面实时仿真。     

考虑失效性故障的火星探测器进入段姿态容错控制

火星进入过程中的故障和外部干扰不可避免地降低了火星进入制导和控制算法的性能。利用反步法设计了一种对转动惯量信息变化不敏感的火星进入姿态容错控制算法。首先,将虚拟控制律的微分量视作干扰量,利用自适应技术对其进行补偿,避免了传统反步法微分爆炸的缺陷。同时,控制设计过程中显式地引入了饱和函数,保证了在存在输入饱和的情况下,控制律仍然能使得探测器姿态保持稳定。最后,以“火星科学实验室”探测器为模型进行了数值仿真验证,结果表明该控制律在存在输入饱和约束、转动惯量不确定性、执行机构部分失效甚至完全失效的工况下,仍然能够完成对姿态的精准跟踪。     

一种适用于火星气动捕获的自适应预测制导算法

火星探测捕获制动需要的速度增量大,制动消耗燃料多,因此针对火星大气密度低、大气不确定性强等问题,提出一种基于解析及自适应预测校正结合的分段式气动捕获制导算法,实现无人钝头体飞行器由双曲线接近段轨道到目标停泊椭圆轨道的轨道转移.考虑到多约束条件,将制导算法分为高度数值预测校正 高度保持 入轨控制3个阶段,其中第三阶段使用基于一阶特征模型的全系自适应预测校正算法.该方法利用施加控制量的时间与最终半长轴改变量的关系形成动态输入变换,以抵消该系统一阶特征模型输入输出间巨大的动态增益.仿真结果表明,该算法即可满足一定的多约束条件,同时能够克服较强的初始条件不确定性和环境不确定性,具有较强的鲁棒性.     

Mars entry trajectory optimization using DOC and DCNLP

This paper addresses the issue of Mars atmospheric entry trajectory optimization by use of the desensitized optimal control (DOC) and Direct Collocation and Nonlinear Programming (DCNLP). Firstly, desensitized optimal control methodology is adopted to reduce the sensitivity of terminal state variables with respect to uncertainties and perturbations along the trajectory, in addition to optimizing the original performance index. Then, Direct Collocation (DC) method is used to transform the optimal control problem into Nonlinear Programming (NLP) problem which can be easily solved using the SNOPT software package. Monte Carlo simulations of error analysis show that the sensitivity of terminal state variables with respect to uncertainties and perturbations is significantly reduced, leading to improved entry precision.