一种末端能量管理段结合PD控制的 标称轨迹制导律

摘要： 为了提高制导律的精度和适应性,针对大升阻比再入飞行器的末端能量管理段(TAEM段)的飞行特性,提出一种飞行轨迹制导律.该方法的制导律由标称制导指令和PD控制指令两部分组成,标称制导指令由离线生成的标称轨迹的几何特性结合飞行器的飞行状态实时生成,PD控制指令则由飞行器当前飞行状态与期望飞行状态的误差计算生成.该方法经数学仿真表明,具有较好的控制效果.     

基于高度跟踪的末端能量管理段制导

针对一类可重复使用飞行器的末端能量管理段制导问题进行研究.末端能量管理系统通过能量-待飞距剖面对飞行器实施制导,并对能量加以控制,引导飞行器到达安全的着陆窗口.采用基于系统线性化和退步设计原理生成纵向的高度控制系数和横向航迹的控制系数,并简化了制导律的设计参数,给出定常的PD控制系数.在完成标称轨迹离线规划的基础上,纵横向综合制导最终使飞行器满足着陆窗口的要求.通过对不同误差条件的仿真分析,显示了该方法对各种偏差摄动条件具有良好的鲁棒性.     

基于在线轨迹迭代的自适应再入制导

针对传统轨迹跟踪制导方法在再入飞行中无法较好适应导航模式切换等突变状况的问题,提出了一种能够有效应对制导系统输入信息不连续性的自适应在线轨迹生成方法。该方法通过实时的多项式拟合以及迭代过程确定满足终端约束条件的高度-速度剖面,并解算出当前飞行状态下所需的攻角与倾侧角指令,从而平稳、精确地将飞行器引导至末端能量管理段。通过对速度与能量、高度、轨迹倾角以及待飞航程等状态量建立解析关系,该方法拥有迭代速度快以及收敛性强的优势。仿真结果显示,该方法对输入信息的误差及跳变等不确定因素的适应性很强,在各类干扰情况下较传统方法拥有更高的制导精度。相较于传统轨迹跟踪制导方法,该方法在实际应用背景下显著地提升了制导的自主性与适应性。      

基于能量的高超声速飞行器再入混合制导方法

针对大升阻比高超声速飞行器滑翔再入制导问题,提出一种基于能量的混合制导方法.建立以能量为自变量的三自由度运动学方程,利用拟平衡滑翔特性将过程约束转换成倾侧角约束.纵向制导在初始下降段采用固定数值倾侧角飞行,在拟平衡滑翔段基于剩余航程随能量单调变化的特性将标准轨迹进行分段,然后分段进行在线预测校正制导.侧向制导基于横程与能量的近似线性关系,设计了由分段漏斗形横程走廊控制的倾侧角反转逻辑,以保证侧向制导精度.分析研究和仿真结果表明该方法易于实现,有效减小了制导指令的解算时间,制导和落点精度高,且对再入初始偏差及过程扰动不敏感.      

基于间接法在线能力评估和自主规划技术研究

针对运载火箭推力故障条件下的自主救援任务，研究了一种基于间接法的在线能力评估和自主规划方法。构建了以入轨点能量最大为最优性能指标的最优控制问题。通过数值方法探讨了在满足轨道倾角和入轨点路径角约束条件下，入轨点速度、远地点和近地点跟入轨高度之间的关系，设计了一种与入轨高度相关的特征量来对入轨能力进行评估。以近地点最高为救援轨道选取准则，结合能力评估，研究了一种自主在线规划策略，当判断能够进入圆轨道时，割线法求解最大圆轨道，否则采用牛顿法求解近地点最高的椭圆轨道。仿真结果表明，提出的自主规划方法在有效性、收敛性和实时性上均能满足在线制导需求。     

主动防御的最优预测协同制导律研究

飞行器面对来袭导弹威胁时，可通过主动发射防御导弹的方式确保自身安全，这种方式称为主动防御.针对主动防御任务中传统制导律性能较差的问题，本文基于预测制导思想提出了一种高效的三维制导策略.建立了飞行器载机、来袭导弹和防御导弹的三维相对运动学模型，将迭代计算与经典制导律相结合，可对预期拦截点进行实时预测，并将其设定为虚拟目标，再设计制导律对虚拟目标实施追踪.预测制导策略建立在将高速来袭目标转化为低速虚拟目标的思想上，从而提高了拦截性能.通过非线性模型的数值仿真，验证了在应对机动的来袭导弹时，主动防御预测制导律相对于此前的方法所需的制导过载更小，脱靶量更小，制导能量损耗更小，拦截包线更大.     

基于线性协方差的月球上升器主动段误差分析

提出一种线性协方差误差分析方法用于月球上升器主动段多种误差源影响分析.给出了动力上升段动力显式制导(PEG,powered explicit guidance)制导律线性化解析方法,得到了PEG 3个制导参数的线性化显式表达.在此基础上用于分析月球上升器主动段在存在初始状态偏差、参数不确定等情况下,终端时刻的高度偏差、速度大小偏差以及飞行路径角偏差.通过和蒙特卡洛的仿真对比,验证了上述线性化方法的有效性.     

航天器入轨误差分析

由于发射时熄火点产生的误差,需要有一种误差分析以便确定运载火箭的制导精度。本文介绍了飞行路径上的小误差对航天器轨道的影响,接着讨论了确定制导精度的方法并给出了圆轨道的简化公式。     

长征八号:长征火箭系列商业化与智慧化的先行者

"长征八号"(CZ-8)运载火箭充分继承了在役和新一代运载火箭的研制成果,以发射太阳同步轨道(700～1 000 km)卫星为主,兼顾近地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)和地球同步转移轨道(Geostationary Transfer Orbit,GTO)。CZ-8设计有组合型和融合型两种配置,可面向多种任务,尤其针对商业发射市场,在快捷制造、系统集成、快响发射、自主无人值守、简化对发射场要求等方面开展了大量创新性实践,显著提升了竞争力。为应对未来智慧火箭的目标,开展了上升段应对推力下降故障的动态轨迹规划、起飞漂移主动控制、发射窗口自主修正等自主技术的研究和应用;针对重复使用的需求,采用集束式回收方案进行关键技术攻关和验证,按照分步发展的策略,在大型轻质着陆机构、自主制导方法等方面取得了阶段性进展,旨在将CZ-8努力打造成为性价比高、易用性好、安全性高的新一代中型主力火箭。     

一种高超声速飞行器的再入约束非线性控制方法

在再入过程中高超声速飞行器存在着多约束,包括角度,角速度,力矩约束,提出一种约束非线性控制方法.基于奇异摄动理论设计内外环解耦控制方案,控制系统的外环基于近似连续非线性预测控制和滑模预测实现角度跟踪,满足角速度约束和闭环稳定.强耦合的内环采用动态逆跟踪角速度指令,期望动力学采用PI形式抑制干扰,采用抗饱和技术在线调整控制参数,减少力矩饱和,提高内环的跟踪性能.最后,通过仿真验证了所提算法的有效性.     

满足多终端约束的二次曲线迭代制导方法研究

某些空间载荷会对入轨精度和入轨姿态同时提出很高的要求,应用于运载火箭控制系统的摄动制导方法的入轨精度无法满足要求,而传统的迭代制导方法无法约束终端的入轨姿态。为此提出了一种满足多终端约束的二次曲线迭代制导方法,该方法通过二次曲线形式规划整个真空段的飞行制导程序角,实时满足位置、速度与终端姿态约束,从而可以使得火箭以期望姿态角实现高精度入轨。算例结果表明,该方法能同时保证高精度的入轨指标和入轨姿态,并能适应偏差状态、约束姿态角变化与轨道根数小幅变化,具有较高的工程应用价值。     

基于ESO的可重复使用飞行器积分滑模控制器设计

考虑参数不确定和外界干扰对姿态控制的影响,开展基于扩张状态观测器(ESO,extended states observer)的可重复使用飞行器姿态控制研究.首先,对飞行器运动模型进行描述,在合理假设条件下,得到面向控制器设计的纵向和横侧向姿态模型;其次,分别针对纵向和横侧向姿态模型设计积分滑模控制器(ISMC,integral sliding mode control);然后,引入ESO对耦合作用、参数不确定及外界干扰进行估计,并在控制器中进行补偿;最后,六自由度仿真结果表明,本研究给出的控制策略能够实现对给定制导指令的稳定跟踪,确保安全再入飞行.     

基于预测校正方法的RLV再入制导律设计

针对高超声速可重复运载器RLV(Reusable Launch Vehicles)的再入飞行问题,利用数值预测校正方法与准平衡滑翔条QEGC(Quasi-Equilibrium Glide Condition)相结合的方法在线设计同时满足热流、法向过载和动压等轨迹约束与末端精度要求的倾侧角制导律.建立三自由度动力学方程,确定初始条件、末端精度要求和轨迹约束要求;然后详细阐述预测校正方法和准平衡滑翔条件的原理,再利用预测校正方法设计制导律,用QEGC把约束转换为对倾侧角制导律的上界,通过限制倾侧角的幅值来限制约束.最后在计算机上进行制导仿真,并考虑初始条件不确定性,进行蒙特卡洛仿真,通过分析仿真结果,证明利用预测校正方法结合准平衡滑翔条件可以快速的设计出满足末端精度要求和轨迹约束的制导律,并对初始条件不确定性有较好的鲁棒性.     

速度相关初制导拐弯规律设计

防空导弹初制导要实现向目标射向拐弯,使得初制导段结束时刻导弹姿态、速度达到要求。本文针对助推发动机推重比小导致初制导段时间长且参数散布大的问题,提出了速度相关初制导拐弯规律,并在姿态指令中加入重力补偿项,用于解决助推飞行段初制导精度差的问题。仿真结果表明,这种拐弯规律可以有效适应不同推力状态下初制导精度要求,且初制导结束时刻攻角小,有利于初、中制导交班。     

RLV再入神经网络自适应姿态控制器设计

可重复使用运载器（RLV）大包线再入过程中,广泛存在模型不确定与外界干扰,会给姿态控制器的设计带来不利影响,为此提出了一种神经网络自适应控制器设计方案。基于时标分离原理设计了快、慢双回路控制结构。在此基础上设计了径向基神经网络（RBFNN）自适应律,用于在线估计模型不确定和外界干扰力矩,并在控制器中进行补偿。仿真验证表明,RBFNN 自适应控制器能良好地完成姿态跟踪控制,有效地抑制干扰力矩对姿态控制的影响。自适应律能够在线估计真实的飞行器动态和外界干扰力矩,控制器具有抗扰动能力。     

基于模糊逻辑的再入RCS控制方法

针对 RLV (Reusable Launch Vehicle)的再入控制提出了一种基于模糊逻辑的RCS(Reaction Control System).详细分析了RCS控制特性,建立了基于效率系数以及继电特性的RCS模型,提出了一种基于Mamdani模型的模糊逻辑三通道RCS控制器,该控制器利用专家控制经验,根据姿态角及角速率的偏差,产生不同的RCS控制指令输出给三通道对飞行器进行姿态控制.通过六自由度非线性仿真,验证了该控制系统与PID(Proportional-Integral-Differential)控制器相比具有更好的跟踪性能,且RCS的控制输出效率也更高.      

再入飞行器制导与总体参数的一体化设计

研究高超声速再入飞行器制导/总体参数一体化设计问题.论述飞行器总体设计中气动特性、姿控能力、防隔热水平、伺服能力、质量、结构强度、战标等总体参数对制导的影响,指出高超声速再入飞行器外形及制导的特点决定了在概念设计、方案设计阶段就需要考虑制导需求.以某飞行试验为背景,开展制导总体方案论证,协调飞行器总体参数与制导方案,给出高超声速再入飞行器制导/总体参数一体化设计的途径,为再入飞行器的工程研制提供思路.