基于Legendre伪谱法的固体运载火箭轨迹优化研究

Legendre法则是一种高阶积分近似法则,用较大积分步长得到较高精度。以结点伪谱法处理不连续问题后,可以把一个无限维的动态最优控制问题转化为有限维的静态优化问题,大大降低了问题复杂性。将其应用于轨迹优化,力求使其成为一种求轨迹优化问题的通用算法。以三级固体运载火箭为例,在惯性直角坐标系中建立动力学模型,给出轨迹优化模型。轨迹优化算例结果验证了Legendre伪谱法在弹道时间和精度优化的正确性和有效性。     

一种基于分步过渡的再入段组合导引法

针对比例导引法在弹道导弹再入段误差修正时可能引起的导弹攻角和侧滑角变化剧烈的问题,提出了一种基于分步过渡的再入段组合导引法,并采用了一种考虑弹道倾角增量和弹道偏角增量变化范围的过渡段计算方法。仿真结果表明,改进的组合导引法减小了侧滑角和横向过载的变化范围,并减弱了两种导引法交班段的攻角、侧滑角和过载突变问题,在保证导弹末段飞行稳定控制的同时减小了再入段误差对导弹射击精度的影响。     

机动再入飞行器主动段再入点约束闭路制导研究

基于机动再入飞行器再入制导段控制条件荷刻和难度大，必须为飞行器创造最佳的再入条件。本文对具有再入点约束的主支段闭路制导律进行了研究。根据飞行器椭圆弹道的性质、飞行器再入条件、球面几何和不动点原理给出了理想弹道的计算算法。为使飞行器能在主动段很快地进入到理想弹道上，系统采用了非线性的推力向量控制及预测制导方法。通过对新型号再入飞行器的制导系统的设计与仿真，表明该制导系统使飞行器全程飞行有很好的飞行性能。     

机动再入飞行器自适应飞行控制系统设计

研究机动再入飞行器的制导控制问题。为了解决机动再入飞行器气动系数变化范围大、气动耦合严重和气动参数非线性过零常值大等恶劣条件下的控制，并且能充分利用飞行器可测量信息提高系统自适应能力，本文提出了状态方程参数辨识－－极点配置－－前馈补偿自适应控制的飞行控制系统的设计方法。通过对新型号再入飞行器的制导系统仿真，可以看出该控制系统使其有很好的飞行性能。     

化学非平衡效应对返回舱气动特性的影响分析

航天器返回舱再入过程中,高马赫数造成激波层内气体温度急剧升高,由此导致的化学非平衡效应对返回舱气动特性将产生显著影响。而飞行高度和速度的变化影响着化学非平衡过程,进而改变对飞行器气动特性的影响程度。文章通过求解三维Navier-Stokes流体动力学方程,利用耦合化学反应动力学模型对返回舱再入开展数值研究与机理分析,获得量热完全气体模型和化学非平衡气体模型的气动力预测值,分析飞行条件变化时化学非平衡效应对气动特性的影响规律。根据Apollo返回舱的AS-202飞行试验数据验证了计算模型与数值方法。对返回舱的模拟结果表明,高度不变、马赫数增大时,完全气体模型的气动特性预测值不变,化学非平衡效应影响下的轴向力系数、法向力系数和俯仰力矩系数与完全气体预测值的偏差均增大,化学非平衡效应增强;马赫数不变、高度增大时,化学非平衡效应造成的气动力预测值偏差也增大,配平攻角差值略有增加,化学非平衡效应同样增强。机理分析发现,飞行条件变化所造成的化学非平衡流场和压力分布变化是影响气动力变化的主要原因。     

基于逆最优问题的最优制导律及特性分析

在典型的能量最优制导律基础上,将制导律的2个特征根从有限的点/线区域扩展到所有可能的正实根区域,进而提出制导律中的逆最优问题。详细讨论了逆最优问题中性能指标加权矩阵的构造过程,给出了加权矩阵和Riccati矩阵的计算公式;将控制权矩阵选为time-to-go的负n次幂的形式,对加权矩阵的求解进行了举例说明。对8组不同的特征根研究结果表明,尽管每一对可能的特征根取值都能找到最优解释,但这并不能保证与其对应的制导律都能达到与典型能量最优制导律类似的制导性能,特征根取值越靠近典型能量最优制导律,则相对应的制导特性也越接近。     

球头双锥再入体表面脉动压力环境的分析与预测

本文根据超声速和高超声速流动特征分析了球头双锥再入体的表面脉动压力环境特性，并根据超声速和高超声速流动情况下球头双锥的表面压力分布给出一套预测球头双锥再入体表面脉动压力分布的工程估算公式，计算结果表明，预测的均方根脉动压力分布与实验结果基本一致。     

基于PolyMAX法的飞行器工作模态分析技术与应用

飞行器在大气中飞行时经历严酷的力热环境,结构动力学问题显著,而模态特性是分析这些问题的重要输入。传统地面模态试验很难准确模拟飞行环境,而工作模态分析技术能够得到飞行器实际飞行中的模态参数。文章首先简要介绍了工作模态分析技术的背景和发展现状,说明了PolyMAX法的基本原理,然后对飞行器飞行试验测量数据进行了处理和分析,采用PolyMAX法成功识别出该飞行器的模态参数,并进行了模态验证。     

稀疏拟谱最优控制法求解Goddard火箭问题

提出了一种新的基于直接转化法的求解基于常微分方程(ODE)和微分代数方程(DAE)的最优控制问题的数值方法.该方法通过Legendre-Gauss拟谱法同时离散化状态变量和控制变量,把最优控制问题转化为一个非线性规划问题,并利用改进的多相处理方法避免优化无控段,同时基于稀疏矩阵探索其一阶导数信息.数值结果表明,与传统的直接转换法相比,该方法是一种通用高效的精度较高的ODE/DAE最优控制直接数值求解法.最后,从工程观点出发,应用该方法成功求解了终端自由有路径约束的奇异最优控制问题Goddard火箭问题.     

基于改进型伴随方法的高超声速飞行器上升段轨迹优化

建立了大气层内高超声速飞行器轨迹优化无因次数学模型,提出了一种求解最优两点边值问题的改进型伴随方法,并证明其算法收敛性,将其用于以固体火箭发动机为动力的高超声速飞行器稠密大气层内上升段轨迹优化问题中,在有弯曲力矩约束的前提下,间接得到一组平滑控制量.仿真结果表明,该方法快速、有效、可靠.     

一种基于间接健康因子的锂离子电池剩余使用寿命预测方法

针对锂离子电池实际运行过程中容量数据无法在线获取,退化特征存在局部再生现象,剩余使用寿命（RUL）无法通过单一模型准确预测的问题,提出一种基于间接健康因子（HI）的锂离子电池RUL预测方法。首先根据在线数据构建并筛选最优的HI,然后建立基于遗传算法优化的极限学习机（GA-ELM）关系模型,再通过变分模态分解（VMD）解耦间接HI各分量,并通过相关向量机（RVM）进行趋势跟踪与预测,最后将预测结果输入到GA-ELM关系模型中得到电池容量预测值。与NASA PCoE数据集的验证对比表明,文章所用方法在趋势预测和RUL预测结果上均优于其他对比方法,可以实现锂离子电池RUL的准确预测。     

基于伪光谱方法的有限推力轨道转移优化设计

研究了伪光谱方法在空间飞行器有限推力轨道转移最优化问题中的应用。首先给出了空间飞行器轨道转移最优化控制问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为轨道转移过程中燃料消耗最小,控制变量为推力攻角。终端状态受到航迹角、高度和速度的约束。然后,应用伪光谱方法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,即将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用基于Matlab语言的SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解,该软件包对于求解大型非线性规划问题具有很好的收敛性。仿真结果表明伪光谱方法对于空间飞行器转移轨道初始参数取值不敏感,具有一定的鲁棒性,生成的轨道能够较好地满足各种约束条件。因此,伪光谱方法对于空间飞行器有限推力轨道转移问题的求解是可行的。     

Optimal diving maneuver strategy considering guidance accuracy for hypersonic vehicle

An optimal maneuver strategy considering terminal guidance accuracy for hypersonic vehicle in dive phase is investigated in this paper. First, it derives the complete three-dimensional nonlinear coupled motion equation without any approximations based on diving relative motion relationship directly, and converts it into linear decoupled state space equation with the same relative degree by feedback linearization. Second, the diving guidance law is designed based on the decoupled equation to meet the terminal impact point and falling angle constraints. In order to further improve the interception capability, it constructs maneuver control model through adding maneuver control item to the guidance law. Then, an integrated performance index consisting of maximum line-of-sight angle rate and minimum energy consumption is designed, and optimal control is employed to obtain optimal maneuver strategy when the encounter time is determined and undetermined, respectively. Furthermore, the performance index and suboptimal strategy are reconstructed to deal with the control capability constraint and the serous influence on terminal guidance accuracy caused by maneuvering flight. Finally, the approach is tested using the Common Aero Vehicle-H model. Simulation results demonstrate that the proposed strategy can achieve high precision guidance and effective maneuver at the same time, and the indices are also optimized.     

基于CNN的卫星内部结构频域响应间接测量方法

针对生产线卫星脉动式快速生产的要求,为解决力学试验步骤烦琐且内部结构响应测量困难的问题,提出基于卷积神经网络（CNN）的卫星内部结构响应深度学习间接测量方法。分别对生产线I型卫星与成熟的II型卫星进行正弦扫频试验,提取结构加速度频域响应信息,并利用基于CNN建立内部结构响应的间接测量模型验证所提出方法的可行性。结果表明该方法对两种型号卫星内部结构响应的间接测量总体精度分别达到了95.8%与96.9%,具有较强的工程应用潜力。     

Optimal sliding-mode guidance with terminal velocity constraint for fixed-interval propulsive maneuvers

An optimal strategy based on minimum control effort with terminal position and velocity constraints is developed for an exoatmospheric interceptor in order to generate effective intercept for fixed-interval propulsive maneuvers. It is then integrated with sliding-mode control theory to derive a robust optimal guidance law. In addition, this guidance law is generalized for intercepting an arbitrarily time-varying target maneuver. The new guidance method's robustness against disturbances and good miss distance performance are proved by the second method of Lyapunov and simulation results. The presented guidance law is simple to implement in practical applications and requires less acceleration command in comparison to optimal guidance law.     

侵彻制导武器终端多约束最优制导律

针对侵彻型制导武器终端多约束制导问题,建立包含一阶弹体动力学的多约束制导模型,采用最优控制方法推导终端多约束制导问题的通解。根据终端约束与罚函数的关系,求解了实际工程中关心的3种最优制导律,并结合当前主流制导控制体制,在小角假设下,将其表述为便于工程实现的形式,即包含弹体动力学的最优比例导引制导律、弹道成型最优制导律和终端多约束最优制导律。理论分析和典型末制导条件仿真表明,后2种制导律可为侵彻制导武器终端位置与角度双约束以及位置、角度与加速度多约束制导问题提供理论基础和工程应用参考。     

实现快速轨道大机动的混合制导策略研究

主要研究了在有限推力情况下远程快速轨道交会的制导控制问题,提出了采用速度增益制导结合E制导的混合轨控方案实现两冲量轨道精确交会。通过仿真验证,各方向制导位置控制精度在100 m量级,各方向速度控制精度在m/s量级,2种制导方法能很好地实现交班转换。该方法工程可实现性好,可满足远程快速轨道交会制导要求。     

基于混合法和多打靶法的有限推力航天器协同交会优化(英文)

有限推力航天器的协同交会问题是一个高维非线性的最优控制问题,传统求解方法难以收敛到最优解或者时间花费巨大。采用混合法和多打靶法构造了有限推力航天器双主动交会的数学模型,讨论了其实现最优控制的必要条件,求解了反平方力场中的最优控制数值解。推进剂总消耗最少和有限推进剂约束下的最短时间交会2种不同的算例表明,这种方法可极大地提高收敛性,快速有效地求解有限推力航天器的协同交会问题。     

速率捷联制导系统工具误差分析方法

本文首先介绍速率捷联制导系统工具误差分析的主要内容,接着使用一种新的方法建立了数学模型,并通过一个范例进行了数学仿直.仿真结果证明,本文提出的算法是可信的.     

基于LQR的弹道跟踪制导律设计

针对防空导弹弹道跟踪问题,基于线性二次型调节器（ LQR）理论设计了2种弹道跟踪制导律。首先,以时间为自变量,对导弹质点运动模型线性化,得到第一种线性化模型;接着,为提高模型精度和允许扰动范围,以导弹X坐标为自变量对导弹质点运动模型线性化,得到第二种线性化模型;然后,针对2种线性化模型,利用LQR理论分别设计跟踪制导律,并给出制导指令计算公式和制导流程;最后,在一定外界干扰作用下,将所设计2种跟踪制导律应用于导弹质点运动仿真,并从抑制随机风干扰、消除初始偏差等方面对2种制导律进行比较。结果表明,2种制导律都能实现弹道精确跟踪,且基于第2种线性化模型设计的跟踪制导律各项性能均优于第1种跟踪制导律,说明基于导弹X坐标线性化的模型精确度较高,适用于弹道跟踪制导律的设计。