A multi-stage regulation strategy of space manipulators with a free-swinging joint failure

To ensure tasks can be completed after a free-swinging joint failure occurs, a multi-stage regulation strategy of space manipulators is proposed. Considering all terms of the dynamics equation, an evaluation model of the regulation ability (EMRA) of active joints over the fault joint is established based on the fuzzy entropy. And then a multi-stage regulation strategy based on the EMRA is designed to regulate the fault joint. The strategy divides the regulation process into several stages, and select a certain active joint to regulative the fault joint in every stage. With this multi-stage regulation strategy, the fault joint can be regulated to the desired angle without huge torque on regulative joints. The simulation is carried out with a 7-DOF space manipulator, verifying the correctness and effectiveness of the multi-stage regulation strategy. The strategy has three advantages: Coriolis and centrifugal terms are both considered for the first time in selecting the regulative joint, making the selection result more in line with the actual regulation process; The influence of the model uncertainty is eliminated in establishing the EMRA, making the evaluation of regulative ability more precise; The fault joint is successfully regulated to the desired angle without huge torque on regulative joints.     

轻量化红外成像制导镜头设计与仿真

根据红外成像制导系统的轻量化、小型化、低成本发展需求，针对制导系统中的光学镜头进行轻量化设计。通过分析超透镜的波前调控原理和加工工艺，利用传输相位调控原理设计了基于硅和氟化钡材料的中红外波长超透镜，工作波长3 μm,镜头厚度小于1 mm，口径50 mm时重量小于10 g，热膨胀系数较低环境适应性好。利用时域有限差分法对超透镜进行了仿真，通过设置对称边界条件缩短了仿真时间。仿真结果表明，当超透镜数值孔径为0.45时，聚焦效率为85%，焦斑半高宽3.4 μm。     

空天飞行器返回滑翔段在线制导方法

针对空天往返飞行器的返回滑翔段在线制导问题，设计了一种新的滑翔段飞行剖面，实现了滑翔段终端交班高度、位置和倾角约束的自动满足，减少了在线制导算法中需处理的约束数量。推导了滑翔段运动状态、过程约束和性能指标的解析表达式，获得了剩余航程和终端速度间的函数关系。在此基础上，提出了一种双层在线制导方法：内层解析重构飞行剖面，同时通过解析确定路径点来改变剩余航程的变化率，进而对终端交班速度进行控制；外层借助解析表达式，使用粒子群优化算法(PSO)和改进共轭梯度法(CGM)优化飞行剖面，从而满足过程约束和指标要求。最后通过数学仿真验证了方法的正确性。     

通信拓扑切换下的多飞行器协同拦截方法

针对通信拓扑切换条件下的多飞行器协同拦截问题，提出了一种基于扩张状态观测器的协同制导方法。建立协同制导设计模型，将协同拦截问题转换为视线稳定条件下的剩余飞行时间调节问题。为解决机动目标状态不确定的问题，将目标的状态视作扰动，设计扩张状态观测器来估计机动目标的状态，并在制导律中对目标的机动进行补偿。利用有限时间一致性理论进行一致性控制协议的设计，实现各飞行器剩余飞行时间的有限时间一致，并利用Lyapunov稳定性理论分析通信拓扑切换情况下闭环系统的有限时间稳定性，给出了系统一致收敛时间。仿真结果表明，在通信拓扑变换的情况下，设计的观测器能够有效估计目标状态，且协同制导律能够满足对剩余飞行时间的控制要求，进而实现协同拦截。     

虚拟多触角探测的高超声速滑翔飞行器再入机动制导

针对高超声速滑翔飞行器再入过程中面对的多约束问题，提出一种基于虚拟多触角探测的路航点规划机动制导策略。该机动制导策略通过飞行器最大转弯轨迹计算速度-剩余地面距离-航向角约束，在分段定点模式中发出多条粗略预测触角，引用触角末端反馈的信息计算优先级以确定临时路航点；同时在机动制导模式中发出精细探测触角，计算触角末端信息优先级，经倾侧角延时滤波器得出控制指令，对飞行器进行机动制导。基于多触角探测的路航点规划机动制导策略，降低了三触角机动制导方法中的计算时间；同时，4种典型禁飞区条件下的仿真结果表明，该策略能够有效稳定地解决机动制导过程中的多约束问题。     

Evasion guidance algorithms for air-breathing hypersonic vehicles in three-player pursuit-evasion games

In practical combat scenario, the cooperative intercept strategies are often carefully designed, and it is challenging for the hypersonic vehicles to achieve successful evasion. Based on the analysis, it can be found that if several Successive Pursuers come from the Same Direction (SPSD) and flight with a proper spacing, the evasion difficulty may increase greatly. To address this problem, we focus on the evasion guidance strategy design for the Air-breathing Hypersonic Vehicles (AHVs) under the SPSD combat scenario. In order to avoid the induced influence on the scramjet, altitude and speed of the vehicle, the lateral maneuver and evasion are employed. To guarantee the remnant maneuver ability, the concept of specified miss distance is introduced and utilized to generate the guidance command for the AHV. In the framework of constrained optimal control, the analytical expression of the evasion command is derived, and the constraints of the overload can be ensured to be never violated. In fact, by analyzing the spacing of the pursers, it can be classified whether the cooperative pursuit is formed. For the coordination-unformed multiple pursers, the evasion can be achieved lightly by the proposed strategy. If the coordination is formed, the proposed method will generate a large reverse direction maneuver, and the successful evasion can be maintained as a result. The performance of the proposed algorithms is tested in numerical simulations.     

重复使用运载器制导与控制技术综述

本文对重复使用运载器制导与控制技术进行综述。随着航天技术的发展，对航天运载器重复使用的需求也日益剧增，具备可复用的天地往返运输能力也一直是航天工业追求的重要目标之一，而制导与控制将发挥重要的作用。首先回顾了全球范围内重复使用运载器的研究进展，随后从不同的维度对其发展途径进行分类和分析，并从垂直起飞垂直着陆（VTVL）、垂直起飞水平着陆（VTHL）、水平起飞水平着陆（HTHL）等3个方面对制导与控制的需求进行了梳理。针对不同的起降模式，详细构建了完整的制导与控制模型、约束与目标函数，从而对比在不同场景下制导与控制的特点和挑战。在此基础上，对在VTVL、VTHL、HTHL 3种工作方式下制导与控制理论研究与工程实践中所取得的研究成果进行分析，并对各种方法的特点进行了论述和比对。最后对本领域当前亟待突破的技术难点和发展趋势进行了讨论，并对推动重复使用运载器应用的重点研究方向进行了归纳和展望。     

基于Kalman滤波的空天飞行器再入制导算法

针对空天飞行器应用传统数值预测校正再入制导算法实时性不佳的问题，提出一种基于Kalman滤波的预测校正制导算法。该算法采取四阶多项式拟合速度-高度飞行剖面，利用Kalman滤波估计选定的速度点对应的高度，得到满足再入走廊及航程要求的拟合系数。在此基础上，减少一个终端约束，增加一个待估计剖面参数，可实现对再入过程飞行时间的调节。研究发现，再入过程中通过在线辨识修正不确定性参数能够提高制导指令的适应性；飞行末段利用跟踪参考剖面制导可有效避免飞行速度与终端速度接近时发生拟合系数求解发散的问题。多组不同再入条件下的算例仿真结果表明，基于Kalman滤波的空天飞行器再入制导算法实时性好，制导精度高，能够实现飞行时间可控，具有较强的鲁棒性和工程应用潜力。     

利用视加速度补偿和推力逐级释放的垂直着陆制导方法

针对运载火箭子级垂直返回着陆段的制导问题，本文在应用凸优化的滚动时域在线规划基础上研究了制导鲁棒性的改善策略。为应对着陆后期控制能力不足的情况，在滚动规划过程中引入了推力上界逐级释放的策略。同时，考虑缓解干扰和误差累积的影响，在制导周期内引入视加速度信息对在线规划的推力指令进行补偿，以进一步改善滚动规划的递归可行性。最后，通过数值算例仿真及对比分析验证所提出的补偿策略的有效性。     

直线模拟加载系统的研究进展与发展趋势

直线模拟加载系统是一种用于在实验室条件下模拟承载对象工作时所受直线负载力的半实物仿真系统，可用于模拟各类飞行器关键部件在工作过程中所受的气体阻力载荷。针对目前常用的机械式、电液式和电动式直线模拟加载系统，分析其基本加载原理和研究进展，结合自行研制的电动式直线模拟加载系统进行了深入探讨。针对多余力抑制方法的关键问题，详细论述了直线负载模拟器的结构补偿方法和控制策略。最后，展望了直线模拟加载系统的发展趋势，归纳了电动式直线模拟加载系统的高精度、大载荷发展方向。