探月飞船预测-校正再入制导律设计

针对以第二宇宙速度返回的探月飞船再入制导律设计问题,采用一种数值预测一校正的预测制导法,分析了飞船配平攻角的飞行特性,建立了再入三自由度运动方程。进而详细介绍了预测一校正及其纵向、横向制导律的基本原理。通过标准初始状态、有误差初始状态两种条件下的仿真分析,表明这种预测一校正制导律在满足各种约束的条件下,不仅能够达到较高的精度,而且对初始误差具有良好的鲁棒性,能够应付再入时各种不确定性因素的影响。     

我国探月工程三期再入返回飞行试验获得圆满成功

2014年10月24日,我国在西昌卫星发射中心用长征-3C改二型运载火箭成功发射了我国探月工程三期再入返回飞行试验器（又称嫦娥-5飞行试验器,简称试验器）以及卢森堡-4M小卫星,把试验器准确送入近地点209km、远地点413000km的地月转移轨道。该试验器的主要用途是突破和掌握探月航天器再入返回的关键技术,为嫦娥-5任务提供技术支持。卢森堡-4M小卫星主要用于验证卫星长效电池工作情况。11月1日,试验器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆,它标志着我国探月工程三期首次再入返回飞行试验获得圆满成功。这是我国航天器第一次在绕月飞行后再入返回地球,使我国成为继苏联和美国之后,成功回收探月航天器的第三个国家,表明我国已全面突破和掌握了航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回关键技术,为确保嫦娥-5任务顺利实施和探月工程持续推进奠定了坚实的基础。     

基于轨迹线性化控制的再入轨迹跟踪制导

针对高超声速飞行器再入制导问题,提出了一种基于轨迹线性化控制(TLC)方法的轨迹跟踪制导律.利用再入飞行器动力学固有时间尺度分离的特点,通过外环路和内环路的设计分别对高度和速度进行控制.轨迹倾角被用作外环路的虚拟控制量来控制高度;倾侧角和迎角用于在内环路跟踪轨迹倾角指令和速度.在反馈回路通过设计线性时变控制器对误差动态进行镇定.反馈增益可在线计算并能符号化地表示为参考轨迹的函数,从而避免了增益插值调度和可能需要的模式切换.大量仿真结果表明:TLC可以实现轨迹的精确跟踪且控制参数对不同参考轨迹的依赖性很小;TLC与基于轨迹在线生成的制导方法的结合可以显著提高再入制导的自主性和适应性.     

过载约束下的探月飞船再入轨迹的在线设计

研究了以第二宇宙速度返回地球的载人探月飞船的再入制导律设计问题.针对基于落点分析的数值预测-校正算法不能有效满足再入过程的气动过载约束条件的问题,提出一种基于解析计算的常值气动过载算法与基于数值积分的预测-校正技术相结合的融合再入制导方案,在线生成了同时满足过载约束和落点精度要求的再入轨迹.数值仿真表明提出的制导算法不仅能满足达到高精度着陆的要求,还能满足气动过载约束要求.在一定的再入初始条件下,探月返回飞船可以不必采用逻辑复杂的阿波罗式跳跃再入方案.这一方案可为即将展开的载人探月活动制定月-地返回轨道和再入策略提供参考.     

基于动态逆的空空导弹奇异摄动中制导律

结合奇异摄动和动态逆方法,以飞行时间和末端能量的线性组合为性能指标,推导了一种近最优中制导律.导弹状态方程根据状态变量时间常数写成三时间尺度系统.降阶系统包括纵程、横程和比能动力学方程.用最优控制理论求解出降阶系统最优解,即原系统的外解.动态逆应用于边界层修正,得到一个闭环控制器,其性能可根据爬升、高空等高飞行和下滑阶段或其他情况的不同要求进行调整.仿真结果表明:该制导律满足了对弹道平滑度、飞行时间和末端能量的要求.中段末端航向误差小,为中、末制导的平稳交接班提供了保障.      

基于显式制导的月地返回轨道中途修正研究

月地返回轨道存在各种摄动误差,终端约束复杂,有必要对其进行中途修正研究。显式制导法通过二体轨道与精确轨道之间的差别进行多次迭代求解给定时刻所需的修正速度。文章利用显式制导法,采用月球段及地球段分段进行中途修正的策略,给出了基于分段落点预报显式制导的月地返回轨道中途修正方案。该方案无需计算雅克比矩阵,算法简单、计算快速、实用性强,能满足再入点参数要求。算例仿真与蒙特卡洛仿真验证了该方案的适用性。     

再入动力学的性质及其在轨迹优化中的应用

考虑具有终端约束和过程约束的探月返回飞行器再入轨迹设计问题,通过将性能指标泛函定义为再入终端位置误差的平方和,再入轨迹设计问题转化为具有过程约束和状态方程约束的优化问题.首先仅考虑状态方程约束,利用最大值原理,得到该优化问题的必要条件,选取间接法中的共轭梯度算法求解最优控制量.进而针对轨迹约束问题,研究了再入过载和轨道飞行段飞行距离与航迹角以及倾侧角的关系,在此基础上,提出了采用调整初始倾侧角序列的方法实现过程约束.该算法克服了罚函数方法中需要调节参数较多的问题,并且物理意义明确,实现简单.最后,给出了Apollo再入轨迹优化的数值仿真算例,验证了所给出算法的有效性.     

基于分段瞄准点预报显式制导的月地返回轨道中途修正研究

显式制导法算法简单,计算快速,使用灵活,实用性强,可运用于月地返回轨道的中途修正研究.基于瞄准点的显式制导法在得到瞄准点预报的前提下,利用二体模型计算修正点到瞄准点所需的修正速度作为多体模型下修正点到标称落点的修正速度.根据此方法,采用月球段及地球段分段进行中途修正的策略,给出了基于分段瞄准点预报显式制导的月地返回轨道中途修正方案.最后,算例仿真及蒙特卡洛仿真验证了该方案的适用性,得出了该方案的优势.     

基于特征模型的再入飞行器制导律设计

研究了一种大升阻比的高超声速飞行器的再入制导问题．应用基于特征模型的自适应控制理论,提出了一种跟踪参考阻力加速度的制导方法,同时通过跟踪飞行方位角,来修正飞行器侧向航程．这种基于特征模型的自适应控制方法不需要通过数据拟合来获得气动升力与阻力的解析表达式,克服了飞行器在再入飞行中,气动数据不断变化时造成的困难．通过跟踪飞行方位角来修正倾斜角指令,可以获得比倾斜角翻转方法更精细的对侧向航程的控制能力．六自由度仿真结果表明,文中设计的制导方法可以达到调整侧向航程的目的,但其代价是损失总航程．     

高升阻比再入飞行器阻力加速度设计及跟踪制导

以无量纲能力为函数,采用参数化表示的分段线性函数描述标称阻力加速度剖面.在部分近似下,得到以无量纲能量描述的再入纵向航程解析解.将热流、过载、动压约束转化为阻力加速度剖面的边界值,利用全局优化方法,得到满足给定射程的阻力加速度剖面.通过调整目标函数阻尼因子,得到更为光滑的阻力加速度剖面,并将其作为标称阻力加速度剖面.基于反馈线性化方法,设计非线性跟踪控制器,实现对标称阻力加速度剖面的跟踪.设计航向角误差走廊,通过航向角误差调整倾侧角符号,控制飞行器横向航程.以CAV H飞行器为例,设计数值仿真算例.仿真结果表明,最优阻力加速度剖面可满足再入约束及航程需求,跟踪控制器可快速求解制导指令,具有良好的跟踪性能.     

月球精确软着陆制导轨迹在轨鲁棒跟踪

为实现在月球表面期望的着陆点进行精确软着陆(PPL),在开环制导规划出的最优标称轨迹基础上,考虑动力下降过程中的干扰和不确定性,对在轨闭环轨迹跟踪制导方法进行研究.针对月球PPL三维球体非线性轨道动力学模型,充分考虑自主制导的鲁棒性、实时性要求,采用动态平面控制技术的思想,解决退步法存在的"计算复杂性膨胀"问题,并证明了闭环系统的稳定性.仿真算例表明,该方法不仅算法简单,过渡过程能够实现快速跟踪,而且能够保证稳态跟踪误差在预先给定的范围之内且可以自由调节.