基于多分辨率技术的滑翔飞行器轨迹优化算法

针对滑翔飞行器轨迹优化展开研究。采用了考虑地球扁率和自转的动力学模型,大气模型采用较精确的大气模型。滑翔式飞行器轨迹优化具有强非线性和多约束等特点,为克服传统优化方法对初始值较敏感且难以处理航路点等状态约束,同时在精度和计算速度之间取得一定的平衡,提出采用基于网格自适应的多分辨率技术对滑翔飞行器轨迹进行优化,并对航路点约束提出了相应的处理策略。针对包含航路点、禁飞区和终端约束的典型工程问题展开了轨迹优化研究。仿真实验表明,一条行程12400 km的滑翔弹道优化耗时约200 s,验证了该算法的有效性,对工程实践具有一定的参考意义。     

基于遗传算法的RLV再入轨迹优化设计

飞行器再入轨迹优化是一类最优控制问题。传统的优化方法存在初始值敏感问题,利用改进的基于小生境技术和精英方法的适应值共享拥挤遗传算法进行RLV的再入轨迹优化设计。以终端时间固定的空间最小控制能量再入轨迹和终端时间自由的平面最小热载再入轨迹为例,详细讨论了遗传算法用于再入轨迹优化设计所需要解决的一些关键问题。仿真结果表明提出的方法能够较快地搜索到全局最优解,对初始猜测值不敏感,能够方便用于RLV的再入轨迹方案选择和优化设计。     

一种卫星编队整体机动的规划方法研究

针对卫星编队整体机动的难点,充分考虑编队的“群”运动特性,按照先规划参考卫星轨迹,后规划伴随卫星轨迹的思路,提出一种整体机动的分步规划策略。采用Gauss伪谱法优化参考卫星的轨迹,并检验优化结果的最优性;根据整体机动过程中的路径约束,以参考卫星的轨迹为参考,规划伴随卫星的可行飞行区域;根据终端约束条件,在可行区域规划伴随卫星的飞行轨迹;引入动态逆的思想,根据伴随卫星飞行轨迹反推相应的控制量;最后,分析了伴随卫星轨迹在控制上的可行性,并分析了整体机动轨迹最优性性能。仿真分析表明,该方法计算量小,能满足整体机动的任务要求。
     

S形进气道纤维铺放轨迹规划和优化方法

为研究纤维铺放轨迹规划和优化算法,在分析等铺放角法和等距偏置法两种轨迹规划 方法的基础上,提出基于纤维带边缘曲线的轨迹规划方法和纤维带丝束数量计算方法。在轨 迹铺放角范围满足设计要求的前提下,将等铺放角法和等距偏置法两种轨迹规划方法相结合 ,提出以曲线在曲面内等距偏置为核心的铺放轨迹优化方法。该算法可以提高铺放设备的工 作效率,并对纤维带丝束数量、纤维重叠面积、纤维间隙面积等铺放信息的计算方法进行了 分析。最后将以上分析结果应用到S形进气道曲面的铺放轨迹规划中,证明了该铺放轨迹规 划和优化方法的可行性。
     

小推力最优轨迹协态估计的高效机器学习方法

针对变比冲小推力轨迹间接优化中的协态变量初值猜测问题,提出了一种基于机器学习的协态变量初值高精度高效估计方法。首先,基于标称最优轨迹延拓,建立了状态量边值高扰动上限情形下的数据集生成方法,并分析了扰动上限对求解效率的影响。然后,构建了基于位置速度、轨道根数和改进春分点轨道根数多形式状态量组合输入的人工神经网络(ANN)映射关系,分析并优化了神经网络结构。将提出的方法应用于深空探测小推力转移场景,仿真结果表明该方法相对于标称轨迹直接扰动的数据集生成方法及单一形式状态量输入的人工神经网络映射方法,均有效地提升了求解收敛率,能够高效高精度地估计协态变量初值,实现轨迹快速优化。     

二级入轨空天飞机上升轨迹优化

以最小燃料消耗量为性能指标,考虑了多种约束条件(过载、动压、加热率等 ),采用了组合优化方法对空天飞机上升轨迹进行优化。该组合优化算法包括静态参数与动 态参数优化方法。其中,静态参数优化算法采用了全范围搜索方法,动态参数优化算法包 括动态规划法与共轭梯度法。通过数值仿真计算,得到飞行分离状态数据及相应的最 优 上升轨迹。数值仿真表明,该组合算法对航天器轨迹优化具有良好的适用性及实际工程价 值。
     

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.     

一种燃料最省的火星精确着陆动力下降段快速轨迹优化方法

针对火星精确着陆问题,给出一种燃料最省的火星着陆动力下降段快速轨迹优化方法。首先以燃料最省为指标建立了着陆器动力下降段轨迹优化问题模型,然后利用极大值原理对该模型的推力大小、推力方向与协状态变量之间的关系进行分析,得出着陆器推力只能以最大或最小推力工作、推力方向和与速度对应的协状态矢量方向相同的结论。并以此为基础,将原问题的状态微分方程和协状态微分方程转换为有限个推力为常值的分段函数,推导每段内微分方程的解析表达式,给出了动力下降段轨迹优化方法的算法流程;最后通过数学仿真将所提出的方法与凸规划、多项式制导方法进行比较。结果表明该方法不仅避免了多项式方法没有考虑推力约束及燃料消耗的缺陷,而且在计算效率方面较凸规划方法有大幅度提高。     

亚轨道飞行器上升段轨迹优化与快速重规划

针对亚轨道飞行器上升段轨迹优化问题,提出了基于Legendre伪谱法的轨迹优化与快速重规划方法.结合亚轨道飞行器上升段运动特点,着重研究气动力的表示方法,建立了矢量形式的动力学方程.应用Legendre伪谱法进行上升段轨迹优化,并分析了优化结果.结合该方法的特点研究了基于Legendre伪谱法的轨迹重规划方法.仿真表明轨迹优化结果具有精度高、满足一阶最优性必要条件等特点,重规划轨迹的入轨精度高,且重规划的时间短,能满足快速性要求.     

火星着陆器进入段轨迹优化与制导研究进展

根据火星着陆器在进入段的飞行状况,分析并总结可能遭遇的困难与挑战;在间接法和直接法两方面概述飞行器轨迹优化方法,阐述当前飞行器轨迹优化研究现状以及火星着陆器进入段轨迹优化的应用情况;以标称轨迹制导法和预测校正制导法两方面分析火星着陆器进入段制导研究现状,并比较两种制导方法的优缺点,最后对火星着陆器未来研究方向做了展望.     

大气层内拦截弹脉冲发动机消耗量离线计算

采用姿控式直接侧向力/气动力复合控制方式可以显著提高大气层内拦截弹的机动能力,但由于产生侧向推力的脉冲发动机数量有限,必须考虑减少使用数量的问题.除了最优化脉冲发动机点火分配逻辑之外,充分利用气动力也是一种可能的方案.本文基于弹体运动的线性化模型,探讨了在给定攻角响应时间的情况下,最大限度地利用气动力能否节省脉冲发动机点火数目,并对攻角响应所需用的脉冲发动机数量做了离线计算,给出了计算公式.     

有限推力交会的最省燃料轨迹

给出了航天器有限推力交会的最省燃料轨迹。首先应用三角变换技术将推力约束 转化为没有任何约束的虚拟控制,进而利用直接优化方法,应用参数化控制方法以及强化技 术将控制向量表示为分段常值函数,将上述最优控制问题转化为非线性规划问题。应用经典 的参数优化方法即可求得最优控制律的一个近似解,通过增加参数个数,重复优化得到逼近 连续最优解的参数化解。仿真结果表明提出的控制方案是行之有效的。
     

大气层内动能拦截弹直接力/气动力复合控制

以大气层内拦截弹气动力和力矩式侧向直接力复合控制系统为研究对象,基于参考模型变结构控制理论设计了拦截弹末制导段复合控制系统,并研究了相应的控制力分配算法、脉冲发动机组调度算法。数学仿真结果表明,该复合控制方法可以很好地实现拦截弹姿态控制。与气动力系统相比,复合控制系统具有更好的动态性能。     

Optimization of interplanetary trajectories for spacecraft with ideally regulated engines using the continuation method

The problem of optimization of interplanetary trajectories is considered for spacecraft with a small-thrust ideally regulated engine. When the maximum principle is used, determination of the optimal trajectory is reduced to solution of a two-point boundary value problem for a system of ordinary differential equations. In order to solve this boundary value problem, the method of continuation in parameter is used, and with the help of it the formal reduction of the boundary value problem to a Cauchy problem is performed. Different variants of the continuation method are considered, including the method of continuation in the gravitational parameter which allows one to find extreme trajectories with a preset angular distance. The issues of numerical realization of the continuation method are discussed, and numerical examples of its use for solving the problems of optimization of interplanetary trajectories are presented.     

基于Gauss伪谱方法的高超声速飞行器再入轨迹快速优化

基于一种求解最优控制问题的新方法—Gauss伪谱法(Gauss Pseudospectral Method\|GPM) ,研究了高超声速飞行器滑翔式再入的快速轨迹优化问题。针对远程多约束条件下滑翔式再 入轨迹优化问题的难点,提出了基于GPM的串行分段优化策略,包括三个方面：(1) 构造了 设计变量初值生成器,获得近似最优解作为优化初值;(2) 提出从可行解到 最优解的串行优化策略;(3) 引入平衡滑翔条件构造动态分段点,将再入轨迹分为初始下降 段和滑翔段分别求解。以某高超声速再入飞行器为对象进行轨迹优化计算,仿真结果验证了 本文的轨迹优化方法具有较高的精度和计算效率。
     

固体火箭发动机装药不确定性优化设计

介绍了不确定性优化设计思想和方法,考虑装药优化设计过程中推进剂性能参数不确定性,开展了固体火箭发动机装药不确定性优化设计研究。采用Powell方法和并行遗传算法组成的混合优化方法,提高了优化问题求解的效率和质量;采用Taylor级数一阶展开近似计算性能参数的均值和均方差,通过可靠性指数计算满足约束条件成功的概率。与确定性优化设计结果相比,不确定性优化设计结果更可靠、更稳健,为固体火箭发动机总体方案设计提供了更好的方法和手段。     

基于零控脱靶量的大气层内拦截弹制导律

本文基于零控脱靶量的概念,提出了一种用于拦截螺旋机动弹道导弹的末制导律。首先,在     

Time-optimal maneuvering control of a rigid spacecraft

The time-optimal rest-to-rest maneuvering control problem of a rigid spacecraft is studied in this paper. By utilizing an iterative procedure, this problem is formulated and solved as a constrained nonlinear programming (NLP) one. In this novel method, the count of control steps is fixed initially and the sampling period is treated as a variable in the optimization process. The optimization object is to minimize the sampling period below a specific minimum value, which is set in advance considering the accuracy of discretization. To generate initial feasible solutions of the NLP problem, a genetic-algorithm-based is also proposed such that the optimization process can be started from many different points to find the globally optimal solution. With the proposed method, one can find a time-optimal rest-to-rest maneuver of the rigid spacecraft between two attitudes. To show the feasibility of the proposed method, simulation results are included for illustration.     

天基对地打击武器飞行过程动力学分析与建模仿真

天基对地打击武器用于从太空对地面战略目标和高价值目标进行快速、准确的打击。本文运用空间飞行器动力学,在特定条件下,对天基对地打击武器的作战飞行过程分大气层外和大气层内2个阶段进行动力学分析,并利用建模仿真的方法得出在不同再入角和不同运行轨道高度的情况下飞行过程的相关数据,验证了天基对地打击武器作战迅速、打击时间短的特性,表明其在未来潜在的军事应用价值。     

直接侧向力/气动力复合控制系统的特征参数

为考察在大气层内拦截弹上应用直接侧向力与气动力复合控制同应用纯气动力控制的本质区别,依据连续系统跟踪性能极限的研究成果,提出以复合控制对象的非最小相位零点作为描述复合控制系统性能的特征参数。气动力回路控制对象含有一个离虚轴较近的非最小相位零点;而通过合理设计气动力控制器,直接侧向力控制对象只包含一个离虚轴较远的非最小相位零点,复合控制系统的跟踪性能可望比纯气动力的更好。设计实例对此进行了分析,揭示了非最小相位零点在控制器设计中的重要作用。