再入飞行器末端能量管理段纵向剖面优化方法

摘要： 对于轨道再入飞行器,根据各阶段飞行特性和任务的不同被分为初期再入、末端能量管理以及进场着陆几个阶段.本文提出一种末端能量管理段航程及纵向剖面优选方法,通过对不同的初始航程和纵向剖面进行递推,以阻力板控制裕度最大为优化目标,选出最适应飞行器升阻特性的航程以及相应的高度动压剖面.考虑初始状态误差及气动特性偏差条件下的六自由度仿真验证所设计的纵向剖面的鲁棒性.     

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.     

某RLV飞行器投放轨迹的设计与分析

对于可重复使用发射式飞行器RLV(Reusable Launch Vehicles)设计投放轨迹,并作轨迹特性分析.根据投放几何和飞行器性能约束确定目标轨迹,将轨迹分为四个阶段,分别为:消耗多余能量的S型转弯段;改变飞行器航向并转向航向校正圆柱HAC (Heading Alignment Cylinder)的过渡飞行段;航向校正圆柱段;进一步调整能量以满足终端要求的着陆前飞行段.在各段衔接处设置窗口检查,在轨迹仿真过程中对轨迹进行进一步调整,得到投放轨迹.作为导航和控制的参考轨迹,还对飞行器进行了沿轨迹的操稳性分析和检查.结果表明所建立的轨迹设计方法能够提供满意的精度;轨迹对常值扰动敏感,对高频扰动不敏感.     

高超声速飞行器自适应BTT末制导律

针对高超声速飞行器末段打击问题,提出了具有自适应能力的比例导引律,实现了高精度定点定向打击.通过纵向进入条件的分析,设计了一种提高比例导引进入时间的收敛策略,从而使飞行器有足够的时间进行横纵向调整,保证了落角落点约束的满足.由于制导参数直接影响落点和落角的精度,而飞行器动力学约束会导致无法理想响应制导指令,因此设计了一种闭环非线性自适应律,通过在线选择制导参数确保飞行器以高精度命中目标.仿真结果表明了该末制导方法的有效性和准确性.     

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。     

高超声速飞行器自适应BTT末制导律

针对高超声速飞行器末段打击问题,提出了具有自适应能力的比例导引律,实现了高精度定点定向打击.通过纵向进入条件的分析,设计了一种提高比例导引进入时间的收敛策略,从而使飞行器有足够的时间进行横纵向调整,保证了落角落点约束的满足.由于制导参数直接影响落点和落角的精度,而飞行器动力学约束会导致无法理想响应制导指令,因此设计了一种闭环非线性自适应律,通过在线选择制导参数确保飞行器以高精度命中目标.仿真结果表明了该末制导方法的有效性和准确性.     

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.     

主动防御飞行器的范数型微分对策制导律

针对具有主动防御能力的飞行器受到攻击导弹的威胁后发射一枚导弹进行防御的制导问题,基于微分对策理论对飞行器和防御弹的制导律进行了设计和分析。首先,对于飞行器、防御弹和攻击弹的侧向控制均有界的情况,基于一种范数型的性能指标推导得出了对策三方的最优制导策略。然后,当攻击弹采用不同制导策略时,对飞行器和防御弹能够对策成功的条件进行了分析,给出了飞行器能够实现逃逸和防御弹能够完成拦截的最小机动条件。最后,进行了非线性仿真,结果表明了所提制导律的有效性,并验证了飞行器若要逃脱攻击弹需满足其最小逃逸机动条件,防御弹若要拦截攻击弹需满足其最小拦截机动条件。      

高超声速滑翔飞行器预测校正闭环协同末制导方法

针对能量持续衰减的高超声速滑翔飞行器末制导段时间协同问题，提出一种预测飞行时间并校正飞行剖面的协同制导方法。设计了一种带有负比例导引系数的参数化飞行剖面，在辨识气动参数后快速预测剩余飞行时间；通过数值算法修正飞行剖面参数，并输出制导指令，满足单飞行器时间约束制导要求；设计闭环协同策略，在分析飞行器时间调整能力后，各飞行器协调期望飞行时间，再自主规划飞行剖面以同时攻击目标。仿真结果表明：预测校正闭环协同制导方法可以满足时间协同末制导任务需求，落点误差小于5 m，相对时间误差小于1 s。     

考虑禁飞区规避的预测校正再入制导方法

针对升力式高超声速飞行器再入滑翔侧向制导问题,提出了一种考虑禁飞区规避的预测校正制导方法.纵向制导采用落点误差预测与指令校正相结合的方式,不断更新倾侧角的幅值,实时修正轨迹纵程.侧向制导设计了一种倾侧角反转逻辑的切换机制,利用航向角误差走廊和航向角导向区域控制飞行器的侧向运动.CAV-H再入滑翔飞行器制导仿真实例表明,该方法不依赖于标准再入轨迹,能够导引飞行器规避禁飞区约束.Monte Carlo仿真验证表明,在随机初始扰动和误差存在的情况下,该制导方法具有良好的鲁棒性.      

可重复使用飞行器进场着陆拉平纵向控制

针对可重复使用飞行器（RLV）进场着陆拉平段的纵向控制问题,提出了反馈控制与前馈控制相结合的复合控制策略。设计反馈控制律参数,在此基础上基于时间加权高度跟踪误差/误差变化率平方积分指标优化设计前馈控制律参数。按输入补偿的前馈控制在不影响系统稳定性的前提下,提高了RLV对拉平着陆轨迹的跟踪精度,减小了RLV的接地散布。提出了基于积分器初值的控制律平滑切换方法,实现了RLV起落架释放前后不同控制律之间的平滑切换。仿真验证了拉平纵向复合控制和拉平过程中不同控制律之间平滑切换方法的有效性。      

Fuel-optimal and Energy-optimal guidance schemes for lunar soft landing at a desired location

Two guidance schemes (i) fuel-optimal (ii) energy-optimal to realize soft landing at a desired location on the moon are developed using the optimal control laws. The optimal control laws are obtained by solving a two-point boundary value problem formulated based on Pontryagin’s principle. The guidance laws, adapted from the optimal control laws, are obtained as a function of unknown co-state variables. Differential Transformation (DT) technique is employed to determine the unknown co-states at each time instant of landing trajectory using the information on the current vehicle state, target landing site (loaded on-board apriori) and the time-to-go. The numerical integration of co-state dynamics is avoided due to the DT based approach. The time-to-go, a critical parameter for any guidance scheme, is computed and updated real time using a simple strategy which uses the current and end states. The simple strategy for time-to-go works well even when the shape of the trajectory is nonlinear. Extensive analysis is carried out to evaluate and compare the proposed guidance schemes. Further, the proposed schemes are compared with other popular guidance schemes. The DT based proposed schemes help quantify the landing masses for fuel-optimal and energy-optimal objectives. Other features of the proposed schemes are that they do not assume constant gravity field and independent of reference trajectory.     

一种基于模糊控制的平稳滑翔再入制导律

针对升力式高超声速飞行器(LHV)再入滑翔过程中的周期性振荡现象，提出了一种基于模糊推理与控制的反馈调节方法以抑制振荡实现平稳滑翔。纵向制导在落点误差预测及指令校正的基础上，在倾侧角外环控制回路增加以高度变化率及空速作为输入的模糊控制器对倾侧角指令进行调节，横侧向制导通过航向角误差走廊约束及倾侧角反转逻辑实现大横程条件下的侧向控制。所提方法不依赖于准平衡滑翔条件(QEGC)，同时避免了参数化反馈控制律中的反馈项参数设计问题，具有较强的自适应能力。LHV制导实例仿真表明，所提方法可有效抑制振荡现象，满足终端约束及再入走廊约束，方法的鲁棒性也通过Monte Carlo仿真得到了验证。      

Command generator tracker based direct model reference adaptive tracking guidance for Mars atmospheric entry

In order to accurately deliver an entry vehicle through the Martian atmosphere to the prescribed parachute deployment point, active Mars entry guidance is essential. This paper addresses the issue of Mars atmospheric entry guidance using the command generator tracker (CGT) based direct model reference adaptive control to reduce the adverse effect of the bounded uncertainties on atmospheric density and aerodynamic coefficients. Firstly, the nominal drag acceleration profile meeting a variety of constraints is planned off-line in the longitudinal plane as the reference model to track. Then, the CGT based direct model reference adaptive controller and the feed-forward compensator are designed to robustly track the aforementioned reference drag acceleration profile and to effectively reduce the downrange error. Afterwards, the heading alignment logic is adopted in the lateral plane to reduce the crossrange error. Finally, the validity of the guidance algorithm proposed in this paper is confirmed by Monte Carlo simulation analysis.     

满足多约束的主动段能量管理制导方法

高超音速飞行器运载任务需要满足多项约束条件,针对耗尽关机型固体运载火箭需要在主动段进行能量管理.基于控制推力和速度之间夹角来实现主动段能量管理的思路,综合交变姿态控制能量管理(AEM,Alternate Attitude Control Energy Management)和一般能量管理(GEM,General Energy Management),提出了样条能量管理(SEM,Spline Energy Management)制导方法,并针对分离前定轴飞行约束条件进行了修正.以三级运载火箭为例,通过AEM,GEM和SEM对比,验证了样条能量管理制导方法的可行性.     

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。