多约束航迹规划与跟踪制导律

研究升力式飞行器多约束航迹规划与跟踪制导律设计。考虑到飞行器为满足任务需求规定了一定范围的禁飞区，为确保滑翔段末状态处于中末制导交班窗口内设置了严格的终端约束，导致传统基于最大升阻比、平衡滑翔策略的航迹规划不适用。针对飞行器在不同空域的动力学特性，结合飞行策略预划分手段分段提出不同状态下的攻角、倾侧角剖面，通过优化剖面构型参数将无穷维轨迹优化问题转化为有限维参数规划问题，完成多约束航迹规划。最后，考虑到气动不确定性带来的轨迹偏差，利用线性二次型调节器以位移加权误差最小为优化指标完成轨迹跟踪制导律设计，实现对规划航迹的在线纠偏，并通过仿真分析验证所提方法的有效性。     

考虑阻力加速度的再入预测-校正制导算法

提出了一种基于阻力加速度的预测-校正制导方法,首先通过对阻力加速度走廊插值获取阻力加速度剖面模型,并基于该模型进行数值轨迹预测。然后根据两次预测结果近似求出阻力加速度与航程的关系,实时校正阻力加速度,消除航程偏差。同时对攻角进行调整,消除高度误差。横向制导通过校正倾侧角翻转时机实现。与传统的迭代预测校正制导算法相比,论文的制导算法同时校正纵向运动和横向运动,提升了飞行器的再入制导能力。每一次校正只需两次弹道预测,减少了制导的计算量。另外,采用插值的阻力加速度剖面对过程约束具有更强的处理能力。通过打靶仿真验证,论文的制导算法具有较高的制导精度和鲁棒性。     

一种基于参数在线辨识的最优再入制导算法

为提高升力式飞行器再入飞行最优性及参数不确定条件下的制导精度,研究了一种基于参数在线辨识的最优高度-速度剖面跟踪制导算法.首先,采用分段三次多项式拟合飞行剖面,利用序列二次规划算法(SQP)优化获取最优分段点位置及飞行剖面系数,得到了 一种满足总吸热量最小的高度-速度飞行剖面规划算法,并根据待飞航程与待飞航程预测值偏差...     

一种近似解析的再入滑翔飞行器可达域快速生成方法

针对再入滑翔飞行器可达域快速计算问题，研究了一种近似解析求解方法。首先，将可达域求解问题归结为两类纵、横程极值轨迹规划问题，利用极大值原理推导出满足最大纵程/横程要求时飞行攻角对应当前最大升阻比攻角的结论，通过仿真验证了该结论的正确性。其次，结合再入滑翔飞行器动力学特性，设计了不同极值轨迹的倾侧角变化规律，并通过梯度下降方法优化得到相关参数。最后，在不同飞行器初始状态条件下，通过数值仿真得到了所提方法的可达域。其与伪谱法优化结果基本一致，证明了所提方法的有效性。     

基于平衡滑翔的升力再入攻角设计分析及应用

针对面对称中高升阻比飞行器再入攻角的优化问题,从工程角度系统分析了升力再入攻角优化问题的多种约束,基于平衡滑翔条件结合失速攻角、初始再入攻角和平衡滑翔攻角等,得到了再入段飞行的攻角设计空间,并给出了再入攻角剖面设计的具体可行方法。所提出的设计方案可用于快速选定满足各种过程约束的速度-攻角剖面;将该攻角设计方法应用于覆盖区优化问题,在继承已有方法的快速求解速度下,仿真结果及对比表明所规划的攻角剖面具有与直接法相似的最优性。     

升力式再入飞行器两种可达区域计算方法的探讨

对2种计算升力式再入飞行器可达区域的方法进行了分析和探讨。首先建立了飞行器三自由度运动方程模型和升力式飞行器基于准平衡假设下的简化模型;然后基于最优控制方法,考虑过程约束和终端约束推导了闭环倾侧角控制律,采用双参数搜索法求取不同纵程下的最大横程;最后,以一种升力式飞行器为例分别用优化方法和常值倾侧角法进行仿真分析,结果表明常值倾侧角法可以代替优化方法进行分析与设计。     

远程滑翔导弹滑翔段制导算法研究

提出了一种满足多种约束的远程滑翔导弹滑翔段在线规划制导算法.给出了攻角参考剖面与倾侧角大小的边界.利用拟平衡滑翔条件简化了滑翔段弹道.考虑地球旋转影响,利用修正的拟平衡滑翔条件,并结合速度与待飞航程的关系,将满足多约束的纵向参考弹道设计问题转化为单参数搜索问题.利用LQR方法完成纵向参考弹道跟踪,并采用改进的侧向制导策略生成侧向弹道.仿真结果表明,给出的制导算法可在线生成满足多种约束的三自由度弹道,在远程滑翔导弹滑翔段制导控制方面有一定的应用前景.     

火星进入段自适应预测校正制导方法

针对火星进入段预测制导收敛性和可解性问题,给出基于一阶特征模型的全系数自适应预测校正制导律。该方法首先通过时变动态增益变换技术大幅度降低预测误差与制导修正量之间的时变动态增益;然后对变换后的系统建立修正量与广义航程误差间的一阶特征模型,应用全系数自适应方法估计一阶特征模型系数并求取制导修正量;再由标称制导剖面和制导修正量确定纵向制导输出,横向制导采用传统的漏斗边界制导方法。本文方法每个制导周期仅执行一次预测制导,依靠自适应控制的逐次逼近实现制导的收敛性,避免了基于迭代的传统预测校正制导方法的收敛性问题。针对预测校正制导收敛性这一国际上的难题,本文首次证明了全系数自适应预测校正制导律的收敛性。最后针对火星进入点多种初始误差的组合,以及火星大气密度和探测器气动参数的偏差,进行了多条轨迹的仿真。结果表明,全系数自适应预测校正制导具有较高的精度,在计算时间上也要优于基于迭代的预测校正制导方案,更加适合在工程上的应用。     

横程动态约束的预测-校正再入制导方法

针对大升阻比飞行器再入滑翔制导问题，基于预测-校正制导法，提出一种横程动态约束的侧向制导策略。利用再入过程中横程与剩余航程的近似线性关系，设计边界约束动态变化的横程走廊控制倾侧角反转。对大气密度和飞行器气动参数扰动引起的预测模型不确定性进行在线参数估计。以CAV-L高超声速飞行器为研究对象，进行再入制导仿真。结果表明，对不同航程的再入任务该制导法均能精确引导飞行器飞向目标，侧向制导倾侧角反转时机分布合理，反转次数少。Monte Carlo仿真校验了横程动态约束制导法对再入状态误差和过程扰动具有良好的自适应性和鲁棒性。     

大气层内固体火箭多约束鲁棒三维能量管理制导

针对固体运载火箭大范围精确调节终端约束的要求，提出一种新型的大气层内鲁棒三维能量管理制导方法，通过在线规划侧向速度能力曲线消耗剩余发动机能量。将终端约束表示为关于攻角和速度能力曲线参数的方程组，将闭环制导问题转化为方程组的求解。针对飞行过程中的动压、过载，以及控制变化率等过程约束，构造了攻角和速度能力曲线的可行边界。针对气动系数和发动机参数的不确定性，采用容积卡尔曼滤波器对不确定性进行辨识。仿真结果表明，与模型预测静态规划算法和改进粒子群算法相比，本算法的终端速度调节范围、鲁棒性以及计算效率大幅度提高。     

带落速落角约束的高超声速飞行器俯冲轨迹规划方法

针对高超声速飞行器俯冲段精确打击任务需求,提出了一种能够同时满足落速与落角约束的轨迹规划方法。建立了两段式轨迹规划策略,第一段采用参数化控制剖面调节飞行速度,第二段采用传统偏置比例导引律实现落角控制。将控制剖面的参数设计分解为多参数优化与单参数搜索两个问题：通过离线求解可行初始位置范围最大的多参数优化问题,提高控制剖面对初始偏差的适应性;通过在线求解带罚函数的单参数搜索问题,得到落速偏差最小的俯冲轨迹。结合高超声速飞行器模型,对所提出的俯冲轨迹规划方法进行了仿真。结果表明,该方法能够得到满足落速与落角约束的俯冲轨迹,具有较好的求解效率,且对初始状态偏差具有较强的鲁棒性。     

行星动力下降多约束最优反馈制导方法

为实现行星定点着陆，针对E制导和零控位移偏差/零控速度偏差(ZEM/ZEV)制导的不足，提出多约束下动力下降最优反馈制导方法。首先，在分析E制导性质的基础上，提出制导时长初值的高效选取方法和基于预测校正的优化方法，经少量迭代实现在推力范围受限且连续变推力约束下推进剂消耗接近最优。接着，提出基于碰撞规避时长和推力优化分配律的地平碰撞规避方法，并在此基础上利用坐标系旋转，给出满足下滑角约束的碰撞规避方法，显著提高碰撞规避能力和着陆点可见性。之后，提出匀速转动制导和基于预测校正的组合制导参数规划方法，使制导终端扩充满足加速度约束。最后，数学仿真表明新方法有效，多约束适应性强，计算量相对小，适合工程应用。     

改进的RLV再入制导方法及其性能分析

提出一种改进的再入制导算法，并用于跨大气层、无动力升力体、可重复使用运载器再入制导。该算法根据剩余航程和预测航程信息，对输入到反馈控制器的参考飞行剖面参数进行修正，以消除航程误差。1000条Monte Carlo散布仿真结果表明，该算法可靠、鲁棒性好。此外，对升力系数减少20％、阻力系数增加20％的最坏情况进行了仿真，进一步测试该再入制导方法的优劣。     

考虑禁飞区规避的空天飞行器分段预测校正再入制导方法

针对空天飞行器再入制导问题,提出一种考虑禁飞区规避的分段预测校正制导方法。在再入段前期采用剩余航程作为目标函数,后期引入预测落点偏差作为目标函数进行制导指令求解,同时确定倾侧角幅值和符号,兼顾了计算效率与终端制导精度。在此基础上,对于再入过程中的禁飞区规避问题,把禁飞区分为两类,增加了通过倾侧角幅值修正策略实现侧向规避制导的逻辑,可适用于无法单独通过倾侧角反转规避禁飞区的情况。最后,通过开展考虑再入初始状态和气动品质不确定性的蒙特卡罗仿真,验证了提出的分段预测校正制导方法可以有效引导空天飞行器规避禁飞区,与单段目标函数预测校正方法相比,具有更高的制导精度。     

吸气式组合动力高超声速飞行器上升段制导方法研究

针对涡轮/冲压/火箭三组合动力水平起降高超声速飞行器爬升段飞行轨迹设计和制导律设计问题,首先考虑宽速域组合动力发动机多模态特性和高低速气动特性差异,分别开展了涡轮段、引射段、纯冲压段及冲压火箭段的飞行策略研究,提出了不同阶段的飞行攻角剖面构型和火箭流量剖面构型,将无穷维轨迹优化问题转化为有限维参数规划问题,进而完成了组合动力上升段飞行轨迹的优化设计;在此基础上,结合轨迹线性化控制方法,开展了组合动力上升段轨迹跟踪制导律设计研究,给出了保证闭环稳定性和控制品质的制导律参数设计准则,最后通过开展仿真分析说明了提出轨迹设计及制导方法的有效性。     

天基对地打击动能武器再入解析预测制导技术

天基对地打击动能武器用于从太空对地面高价值战略目标进行快速、准确的打击。为了在各种干扰因素的作用下仍能保证足够的命中精度,动能弹头必须实施再入制导。针对实时性要求,探讨了一种解析预测制导方法。首先详细推导了零攻角再入弹道参数的三维解析解,在此基础上借鉴牛顿迭代法的思想设计了速度倾角与航向角的迭代修正算法,并最终将其用于制导指令的生成。仿真结果表明,解析预测制导方法能有效提高再入弹头的落点精度,且实时性强。此外,通过对不同制导参数下的制导性能进行分析还发现,制导步长取450-600米、精度参数取20-50米最为合适。     

天基对地手打击动能武器再入解析预测制导技术

天基对地打击动能武器用于从太空对地面高价值战略目标进行快速、准确的打击.为了在各种干扰因素的作用下仍能保证足够的命中精度,动能弹头必须实施再入制导.针对实时性要求,探讨了一种解析预测制导方法.首先详细推导了零攻角再入弹道参数的三维解析解,在此基础上借鉴牛顿迭代法的思想设计了速度倾角与航向角的迭代修正算法,并最终将其用于制导指令的生成.仿真结果表明,解析预测制导方法能有效提高再入弹头的落点精度,且实时性强.此外,通过对不同制导参数下的制导性能进行分析还发现,制导步长取450～600米、精度参数取20～50米最为合适.     

基于虚拟落点策略的月球返回飞船再入制导方法

针对长航程大偏差状况下阿波罗再入制导算法的精度退化问题提出改进,采用数值预测-校正方法规划和调制线性参数化的倾侧角剖面,给出了一种在全航程包络内适用的月球返回飞船再入制导方法。引入虚拟落点策略,在一次再入段利用算法预测能力预测二次再入段初始侧向偏差并进行前馈补偿,给出了简便有效的虚拟落点瞄准程序。大偏差任务想定下的蒙特卡洛仿真分析表明,该算法在3000km到10000km的再入航程范围内,能够确保偏差小于3km的落点精度。     

降低亚轨道飞行器再入法向过载峰值的攻角设计方法

针对亚轨道飞行器再入中的大过载问题,提出一种通过保持法向过载动态平衡以大幅降低法向过载峰值的攻角设计方法。该方法基于再入飞行中过载演化特性,通过自主分段、预测反馈及迭代修正对再入攻角进行设计,使攻角变化率与法向过载的期望平衡值相适应,并可经过重复计算及收敛实现法向过载峰值最小化。仿真计算的结果表明,该方法能够大幅降低亚轨道飞行器再入中的法向过载,且按照该方法设计所获攻角策略可有效用于亚轨道飞行器再入任务规划、再入轨迹和制导律设计。
     

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。