一种月球软着陆参考轨迹解析算法研究

使用了高度和航向航程匹配求解推重比的算法,解决了一种无直接解析解的参考轨迹的求解问题.在数值仿真的基础上,简化了参考轨迹的求解,给出了推重比与高度和航向航程的关系,以及这些关系存在的原因.应用Monte Carlo仿真法对该方法求解的可行性进行了仿真验证,并基于一个类Apollo的参考轨迹,验证了算法对参数分布引起的状态不定具有鲁棒性.     

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。      

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.     

动力增程型高超声速飞行器的再入轨迹规划

为研究飞行过程中的动力装置启动时刻及燃料消耗情况，对轨迹进行优化，进而提出一种动力增程型弹道的再入模式。推导Sanger弹道的解析解，分析得到高超声速飞行器再入航程最优所必须的迎角及初始速度取值条件等相关前提，利用该结论设计动力装置的启动方式使航程最远、燃料利用率最大。将轨迹设计为Sanger弹道和拟平衡滑翔弹道相结合的混合弹道:再入前期利用助推器间隔点火的方式形成等高类周期跳跃弹道以保证足够远的航程; 再入后期采用拟平衡滑翔弹道，将最优控制问题转化为复杂多约束非线性规划问题，性能指标综合考虑了轨迹平滑和航程。仿真实现了所提出的动力增程型再入弹道; 并在燃料充足、弹道倾角取值合适的条件下，得到“打水漂”弹道形式，该弹道能量损失极慢，具有足够远的飞行能力。仿真表明，与不同点火方式及求解方法得出的弹道相对比，所提动力增程型再入弹道具有3.47~3.84倍的航程、1.04~1.18倍的末端动能以及4.47~15.79倍的燃料利用率。      

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.     

基于动态逆的空空导弹奇异摄动中制导律

结合奇异摄动和动态逆方法,以飞行时间和末端能量的线性组合为性能指标,推导了一种近最优中制导律.导弹状态方程根据状态变量时间常数写成三时间尺度系统.降阶系统包括纵程、横程和比能动力学方程.用最优控制理论求解出降阶系统最优解,即原系统的外解.动态逆应用于边界层修正,得到一个闭环控制器,其性能可根据爬升、高空等高飞行和下滑阶段或其他情况的不同要求进行调整.仿真结果表明:该制导律满足了对弹道平滑度、飞行时间和末端能量的要求.中段末端航向误差小,为中、末制导的平稳交接班提供了保障.      

末端制导飞行轨迹的仿真与试飞

提出了战斗机完成制导装置末端制导阶段飞行轨迹的仿真和试飞方法.末端制导阶段的飞行轨迹要求进入段尽可能减小高度损失,并在俯冲段满足精确的轨迹跟踪.采用6自由度全量非线性方程,考虑纵向和横航向运动的相互耦合关系,通过对飞机的高速度、大俯冲角、大落差飞行全过程进行仿真研究,分析了3种利用滚转操纵进入俯冲的情况,获得了满足高精度飞行轨迹的操纵方案,即在进入段,先操纵副翼使滚转角接近180°,拉杆使俯冲角满足轨迹要求后,再反向操纵副翼使飞机正飞进入俯冲.通过飞行试验验证了方案的合理性和有效性.研究表明:该方法在保证飞行安全的前提下,提高了飞行轨迹精度和试飞效率.     

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。     

高超声速伸缩式变形飞行器再入制导方法

针对高超声速变形飞行器再入制导问题，提出了一种采用伸缩式机翼的高超声速变形飞行器外形方案，建立了含有展长变形量的气动模型和动力学模型。将该变形飞行器的展长变形量扩展为控制变量，分析了倾侧角、展长变形量和终端航程、高度之间的关系。在此基础上，利用倾侧角和展长变形量在线预测剩余航程和终端高度，通过数值方法校正2个控制量以满足航程约束和高度约束，通过航向角走廊确定倾侧角符号。仿真结果表明:该变形飞行器再入制导方法制导精度高，相比于传统固定外形飞行器终端约束能力更强、轨迹更加平滑，且在扰动条件下具有一定鲁棒性。      

基于轨迹-速度双目标的平面连杆机构设计

提出了一种在轨迹-速度双目标设计要求下优化综合连杆连续轨迹生成机构的方法.利用机构执行末端速度运动规律寻求平面连杆轨迹生成机构插值节点,使所选取的插值节点具有了运动速度要求的信息.基于该方法建立连续轨迹生成机构优化综合模型,以对应轨迹点差值最小作为优化目标函数,采用BFGS(Broyden-Fletcher-Gddfarb-Shanno)拟牛顿非线性优化算法优化计算机构尺寸.在设定曲柄匀速转动前提下,优化计算出了符合轨迹-速度设计要求的平面连杆机构尺寸,实现了预期的设计目标.最后比较了四杆机构和五杆机构实现实例的优化结果,表明了该设计方法的可行性和有效性.     

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.     

基于自适应伪谱法的升力式飞行器火星进入段快速轨迹优化

针对升力式火星飞行器定点着陆任务的轨迹优化问题，给出了基于自适应伪谱法的快速优化算法.综合考虑探测器火星大气进入过程中的动力学约束、边界约束、路径约束以及控制约束条件，利用自适应伪谱法将轨迹优化问题转换为离散的非线性规划问题，采用序列二次规划算法进行求解，得到性能指标最优的进入轨迹.通过仿真验证，给出了实现火星进入过程燃料消耗最优的状态量和控制量轨迹.仿真结果表明，在Matlab中采用自适应伪谱法，能够在800s内采用267个配点，给出近似精度为10-6的火星进入过程中消耗能量最优的参考轨迹.      

Reliability-based trajectory optimization using nonintrusive polynomial chaos for Mars entry mission

This paper presents the reliability-based sequential optimization (RBSO) method to settle the trajectory optimization problem with parametric uncertainties in entry dynamics for Mars entry mission. First, the deterministic entry trajectory optimization model is reviewed, and then the reliability-based optimization model is formulated. In addition, the modified sequential optimization method, in which the nonintrusive polynomial chaos expansion (PCE) method and the most probable point (MPP) searching method are employed, is proposed to solve the reliability-based optimization problem efficiently. The nonintrusive PCE method contributes to the transformation between the stochastic optimization (SO) and the deterministic optimization (DO) and to the approximation of trajectory solution efficiently. The MPP method, which is used for assessing the reliability of constraints satisfaction only up to the necessary level, is employed to further improve the computational efficiency. The cycle including SO, reliability assessment and constraints update is repeated in the RBSO until the reliability requirements of constraints satisfaction are satisfied. Finally, the RBSO is compared with the traditional DO and the traditional sequential optimization based on Monte Carlo (MC) simulation in a specific Mars entry mission to demonstrate the effectiveness and the efficiency of the proposed method.     

有限推力轨迹优化问题的直接打靶法研究

研究了求解有限推力轨迹优化问题的直接打靶方法。说明了利用直接打靶法将最优轨迹问题转化为参数优化问题的基本转换方法 ;给出了状态和控制变量的等式 (或不等式 )约束的转化方法 ;从插值和数值积分两个方面对转换过程中产生的误差进行了深入分析。最后 ,以最优交会问题为例 ,说明了不同节点数目和积分步数对计算结果的影响     

防空导弹动能杀伤多层弹道优化MDO算法应用

为了有效的毁伤目标,依据多层次优化方法提出了以杀伤概率优化为目标的防空导弹多层弹道优化模型.整个模型分为3层:导弹中制导段、导弹末制导段以及钨动能杆杀伤增强器动能毁伤目标阶段.将一个层次视为一个子系统,多层次弹道优化问题实质上就是多学科设计优化问题.通过系统分析与学科分析,提出了基于多学科设计优化理论和方法的多层弹道优化解决方法,用基于全局灵敏度方程的优化方法和一体化方法求解了系统优化问题.结果表明:两种方法都能有效解决多层次弹道优化问题,一体化方法的结果要更好一些.     

变比冲连续小推力轨迹优化方法综述

电推进是目前常用于深空探测任务的推进方式。电推进发动机的比冲是变化的，所以变比冲电推进模型更加符合工程实际，对于变比冲连续小推力轨迹优化方法的研究具有工程应用前景。常用的变比冲电推进简化模型有三种：比冲在区间内变化、比冲随距离变化和功率分档变化，它们都对应于真实发动机系统工作的原理和方式。关于此三种模型下的轨迹优化方法，常用的有直接法和间接法，但是由于存在方法的不足和模型的特殊性，会在直接法和间接法的基础上增加改进的策略。本文综述变比冲电推进的简化模型和适用于变比冲连续小推力轨迹优化设计的方法。     

基于代理模型的高超声速飞行器协同优化设计

建立了类X-51A高超声速飞行器的多学科模型,包括外形、气动、推进、质量、热流、弹道等学科.采用多学科设计优化(MDO, Multidisciplinary Design Optimization)方法中的协同优化(CO, Collaborative Optimization)进行了计算,计算流程中构建了两个子系统优化器与弹道学科的代理模型,使用代理模型替代了计算耗时的真实模型.同时为了对比,采用了多学科可行法(MDF, Multidisciplinary Feasible Method)进行了优化计算.结果表明,二者的优化结果基本一致,优化之后的飞行器质量比初始构型飞行器降低了15.2%,航程提升了63.5%,并且使用代理模型后计算效率也得到了很大的提升.验证了基于代理模型的协同优化方法应用于高超声速飞行器设计中的有效性.     

基于伪谱法的小天体最优下降轨迹优化方法

针对小天体着陆探测下降阶段的多约束轨迹优化问题,基于Gauss伪谱法进行了燃耗最优下降轨迹优化设计,得出了燃耗最优下降轨迹。建立了小天体下降轨迹优化问题的最优控制问题模型,采用Gauss伪谱法进行离散化,转化为非线性规划问题进行了求解。数学仿真结果显示:优化结果符合各项约束条件,以零速度到达了目标着陆点,且符合燃耗最优的优化目标。利用Gauss伪谱法进行小天体最优下降轨迹优化,计算速度快,求解精度高。     

时空约束条件下多旋翼机动轨迹优化方法

多旋翼飞行器常应用于震后搜救、地质勘探等复杂多变的场景中，考虑到其续航能力及环境特点，优化多旋翼的飞行轨迹以更好更快地完成任务已成为关键问题之一。为此，设定多旋翼穿越室内斜缝的任务场景，提出了一种基于抛物原理和庞特里亚金极小值原理的多约束条件下轨迹优化方法。模仿将东西抛过窄窗的过程，从分析斜缝角度出发，设计一条抛物线轨迹，引导飞行器借助惯性越过斜缝，对于抛掷飞机所需的初始状态，利用庞特里亚金极小值原理设计状态转换轨迹实现。在MATLAB中搭建3D模型验证穿越效果，试验显示，多旋翼最大能穿越竖直方向63°倾斜或水平方向32°倾斜的斜缝。      

一种月球表面飞跃转移轨迹设计方法

针对飞跃器在月球表面飞跃转移轨迹设计问题，提出了基于凸优化方法的整个飞跃过程燃料最优轨迹设计方法。与经典凸优化方法对轨迹分段求解后再拼接得到全轨迹设计的方法不同，在假设垂直上升、着陆时间固定条件下，根据实际工程需要对轨迹进行了分段设计约束，利用黄金分割法搜索上升着陆时间，通过将原问题转化为求解一个二阶锥问题得到了全飞行过程燃料最优轨迹，解决了经典方法中分段最优但全任务过程非最优的问题。仿真结果表明，在同样满足分段约束情况下，分段凸优化方法采用不同垂直起降速度约束时燃耗分别为25.7207kg和 25.3903kg，而全程凸优化方法的燃料消耗为24.9682kg，优于分段凸优化的结果。