从准确、精确到精益求精——载人航天推动运载火箭制导方法的发展

随着惯性器件精度的提高以及组合导航技术的应用,制导工具误差对火箭入轨精度的影响所占的权重逐渐降低,至交会对接任务,制导方法误差首次超过了工具误差,且仅方法误差一项就已超过了总误差,这促进了制导方法的研究以及迭代制导在我国运载火箭上的应用与推广.本文对运载火箭制导方法的发展进行了回顾,重点对迭代制导的原理、载人运载火箭迭代制导的特点及应用效果进行了介绍.在此基础上针对任务的多样性,对未来交会对接任务的制导方法提出了改进建议.     

迭代制导在运载火箭上的应用研究

迭代制导是直接终端制导，是运载火箭路线自适应制导方法的一种。从20世纪60年代末开始，在运载火箭上得到了广泛的应用。它的主要特点是制导精度高、任务适应性强、箭上飞行软件简单、对地面诸元准备要求相对较低。迭代制导基于火箭自适应制导的基本原理：即对于确定的目标轨道，最优飞行程序是瞬时飞行状态和瞬时视加速度的复杂函数，利用简化形式下最优控制求解的必要条件，对火箭末级的关机时间进行迭代，可以得到一套解析制导方程。基于运载火箭的实际飞行情况，建立了迭代制导的工程计算模型，并结合某型号进行大量的实例计算分析，对迭代制导的制导精度、自适应能力等方面进行研究。     

一种适用于目标圆轨道的空间变轨迭代制导算法研究

迭代制导方法在运载火箭上升段入轨问题中已有成熟应用。本文针对空间变轨任务,提出一种适用于目标轨道为圆轨道情形的,以轨道要素为终端约束的迭代制导方法。在迭代制导方法的基础上,以推力方向矢量为控制量,推导直接以目标圆轨道的轨道要素为终端约束的边界条件,得到一种简单有效、适应大姿态角变化的迭代制导算法。通过仿真验证了改进方法的有效性和较高的入轨精度。     

应用伪谱法的运载火箭在线制导方法研究

研究Gauss伪谱法(GPM)在液体运载火箭抛罩结束到入轨飞行段制导律设计中的应用性。在每一个制导周期内,采用高效高精度数值轨迹优化方法计算当前制导周期内的制导律。通过合理选择非线性规划问题的基点数量和制导周期,节省制导方法计算时间。将基于伪谱法的制导方法与运载火箭中使用的迭代制导方法进行对比,在保证同等入轨精度的条件下,该方法对于复杂约束问题处理方法更为便捷,满足在线制导的需求。同时仿真表明,该方法能够有效应对各种偏差,是比较接近工程应用的一种方法。     

可应用于运载火箭上的组合制导方法研究

以惯性导航为基础的组合制导技术，既保持了惯性导航的独立性和抗干扰的特点，又可以提高制导的精度，在航空航天领域得到了广泛应用。组合制导的形式很多，适合于运载火箭的组合制导方法主要有惯性导航 卫星导航组合制导、惯性导航 星光导航组合制导两种基本形式。本文对以上两种组合制导方式的主要技术问题和应用情况进行了综合分析，对组合制导在运载火箭上的应用进行了研究。     

带有入轨姿态约束的迭代制导算法及应用研究

针对需要满足一定入轨姿态约束的发射任务,研究一种带有入轨姿态角约束的迭代制导算法在运载火箭中的应用。该制导算法在传统迭代制导算法的基础上,将控制姿态角的最优解析表达式,通过二阶近似,展开为与时间相关的二次函数,可以同时满足入轨点速度、位置和姿态角约束。阐述了迭代制导的基本原理,给出带有姿态角约束的迭代制导算法的推导公式。在有相同姿态角约束的条件下,该算法能够保证入轨精度,与传统迭代制导算法相当,且对姿态角约束有较好的控制效果,运载能力损失较少。仿真结果表明,该算法对故障工况及不同姿态角约束具有一定的适应能力。     

迭代制导情况下姿态控制系统稳定性分析方法研究

为了提高火箭的入轨精度和轨道适应能力,我国在新一代运载火箭末级中采用了迭代制导技术,俯仰、偏航程序角根据火箭运动状态和目标轨道参数实时变化,目前工程设计中仍按照固定程序角方式开展稳定性分析。本文推导出迭代制导程序角与火箭速度、位置之间的线性关系式,在国内首次提出了迭代制导情况下的稳定性分析方法,并以新一代运载火箭为例进行了实例计算,结果表明此分析方法正确、可行,具有一定的参考价值。     

自适应预测补偿的迭代制导方法及其应用研究

针对迭代制导完成后入轨参数或终端程序角修正问题,研究一种基于模型参考的自适应预测补偿迭代制导算法在运载火箭上的应用。该算法在经典迭代制导算法的基础上,根据预测的迭代终端程序角和飞行视加速度的参考模型,对关机点参数进行补偿,依据补偿后的终端指标重新规划飞行轨迹,进而得出满足入轨参数或终端程序角偏差修正的制导指令,提升迭代制导对入轨参数偏差或终端程序角的修正能力。此外,阐述了经典迭代制导的基本算法,概括了自适应预测补偿迭代制导算法的基本原理,并以大推力直接入轨、终端程序角大偏差以及满足终端程序角约束为例,给出相应工况的自适应预测补偿的迭代制导算法。仿真结果表明：该算法对入轨参数和终端程序角偏差具有一定的修正能力。     

考虑终端姿态约束的自适应迭代制导方法

为了解决采用经典迭代制导方法时运载火箭主动段终端姿态散布较大的问题,提出一种考虑终端姿态约束的自适应迭代制导方法。该方法将末级主动段分为迭代制导段和姿态快速调整段;在迭代制导段,通过对其终端姿态和姿态快速调整段的估计,自适应调整其制导目标状态;在主动段结束前进入姿态快速调整段,将火箭姿态快速调整至期望姿态。仿真结果表明该方法能同时满足轨道参数约束和终端姿态约束,且仅增加少量的推进剂消耗。     

运载火箭全捷联惯性/星光复合制导研究

全捷联惯性/星光复合制导是运载火箭空间快速响应发射的重要途径.针对捷联惯性制导系统中初始定位定向误差、初始调平对准误差及惯性器件漂移等3类主要误差因素,建立了运载火箭的数字平台基准偏差模型和导航误差模型,并提出了一种双星修正策略方案.数值仿真分析了各误差因素对捷联惯性导航精度的影响,并进一步验证了该复合制导方案的可行性...     

运载火箭显式制导方法研究

本文引入标准等效椭圆轨道的概念,利用D矩阵变换,简化了状态方程。然后分别研究了轨道平面内和轨道平面外的迭代制导问题,给出迭代制导的解析表达式,这种方法可用于大型运载火箭的制导。     

长征运载火箭飞行控制技术的发展

介绍了新一代长征运载火箭(LMLVs)的型谱,并从四个方面对运载火箭控制系统的发展进行了综述。制导技术从开环制导发展到迭代制导,并针对大推力直接入轨和终端姿态约束要求,进一步发展了迭代制导算法,入轨精度大幅提升;姿态控制仍以PID技术为基础,采用空间模态和等效摆角的建模方法解决助推飞行段多个舱段发动机联合摇摆问题,结合自抗扰技术(ARDC)进行主动减载控制;自载人航天工程起开展系统性的可靠性设计研究,逐渐形成了以设备冗余、算法容错和系统在线重构等为特点的技术体系,促进了长征火箭控制系统可靠性的整体提升;电子系统从分立的集中式体系架构,发展为集成化的分布式数字控制系统。针对当前飞行控制技术的研究热点,本文最后总结了长征运载火箭在这方面的最新实践与发展趋势。     

风切变与运载火箭设计

本文介绍包括风切变在内的高空风场的统计分析方法以及它在运载火箭设计中的应用。其中综合矢量风剖面是运载火箭设计通用的规范性方法。风场的应用涉及运载火箭姿态控制系统设计、制导精度分析和载荷分析计算等多方面的工作。这里简述其应用要点。     

长征运载火箭制导方法

对长征系列运载火箭制导方法的发展和当前最新研究成果进行了综述。为满足轨道控制需求,制导方法起步于外干扰补偿制导,历经隐式和显式的摄动制导,逐步过渡到目前的闭环最优制导,并且发展出多个分支。传统迭代制导通过预测最佳入轨点、实时修正剩余飞行时间以及在线轨迹规划等技术,实现了高精度入轨控制;轨道预测修正迭代制导则通过跨飞行段取消位置与速度约束,并补偿对轨道的影响,实现了大推力直接入轨火箭的高精度控制;二次曲线直接制导通过改变程序角形式,增加控制维数,满足了终端姿态约束要求。最后结合我国未来重型运载火箭的任务特点,提出了在不同任务场景下采用统一的制导方法的设想,并以凸优化和联立法作为实现手段讨论了未来的研究重点。     

空天飞行器迭代制导初值生成方法研究

针对空天飞行器研究助推段牛顿迭代制导初值生成方法。采用牛顿迭代法求解助推段制导参数,推导了迭代制导算法公式。重点分析了影响收敛精度的主要因素,针对迭代初值对其有较大影响的问题,提出了将理论推导与数据插值融合的迭代初值求解算法。仿真结果表明,此算法可以实现空天飞行器助推段迭代初值与制导参数的快速生成,收敛精度满足设计要求。     

Research on Initial Values of Newton Iterative Guidance for Aerospace Vehicles

针对空天飞行器研究助推段牛顿迭代制导初值生成方法.采用牛顿迭代法求解助推段制导参数,推导了迭代制导算法公式.重点分析了影响收敛精度的主要因素,针对迭代初值对其有较大影响的问题,提出了将理论推导与数据插值融合的迭代初值求解算法.仿真结果表明,此算法可以实现空天飞行器助推段迭代初值与制导参数的快速生成,收敛精度满足设计要求.     

闭路制导在小型固体运载火箭中的应用

固体运载火箭发动机推力偏差和秒耗量偏差大,导致关机点时间偏差也大,因此偏差轨道和按标称值飞行的标准轨道之间偏差大,传统的摄动制导难以满足对卫星高入轨精度的要求。针对固体运载火箭的上述特点,本文提出具有工程意义的闭路制导方法。实现闭路制导的关键之一是需要速度的求解。本文根据运载火箭的实时飞行状态和卫星轨道元素之间的关系推导出简单实用的需要速度,并应用于发射近圆轨道卫星的小型固体运载火箭的闭路制导控制中。经过数学仿真验证,证明本文中的方法在各种干扰下均具有较高的精度。     

月球软着陆的一种燃耗次优制导方法

文中的软着陆过程从一条环月停泊轨道开始。一旦选定着陆点，则通过△Ｖ变轨转入一条椭圆轨道。当到达近月点时，着陆制动发动机点火，开始动力下降阶段。参考运载火箭制导过程的分析方法，假设月球为一均匀引力场，以燃耗最优性为出发点，提出了一种用于软着陆动力下降过程的显式制导律。其显式表达式是剩余时间的函数。它不必进行迭代计算，是一种易于实现的次优闭环制导方法。     

一种多级全固体运载火箭上升段自主制导方法

针对多子级全固体运载火箭在终端多约束下的耗尽关机制导问题,设计了一种基于“助推-滑行-助推”飞行模式的真空段自主制导方法。根据轨道动量矩守恒定律,推导出一种同时具有速度和位置矢量约束的定点制导算法(PA)。在PA理论基础上,建立了满足能量匹配的滑行轨道非线性方程组并降阶至一维迭代求解,解决了多级固定总冲约束的两点边值问题。蒙特卡洛仿真结果表明：该算法对固体运载火箭模型的参数偏差和不确定性具有强鲁棒性,并对多终端轨道任务(不同轨道高度和不同载荷质量)具有较强的自适应能力,因此该算法具有重要的理论意义和工程应用价值。     

深空着陆器随机优化制导律设计

针对导航估计误差对制导精度的不利影响,提出了一种随机优化制导设计方法。该方法将导航估计性能作为优化项引入制导设计过程中,通过对观测轨迹的优化设计,使视觉导航估计精度得到提高,进而改善了制导性能;同时,引入单步超前优化方法减少迭代运算量。将其应用于深空探测着陆任务,仿真结果表明与传统估计最优制导方法相比,该随机优化制导律有效降低了估计误差给制导系统带来的不利影响,使着陆器导航与制导系统整体性能得到改善提高。