面向再入目标跟踪的估计与辨识联合优化算法

准确的弹道系数辨识和精确的目标状态估计是再入目标高精度跟踪与高可靠识别的关键。一方面,状态估计的误差会造成模型参数(弹道系数)的辨识风险;另一方面,模型参数的辨识偏差又会导致模型失配从而降低目标状态的估计精度。因此,需要实现再入目标的状态估计和参数辨识的联合优化。针对再入目标弹道系数未知情形,提出了一种基于期望最大化(EM)框架并采用粒子滤波(PF)平滑器实现的PF-EM联合优化算法。在E步基于粒子平滑器得到目标状态的后验平滑估计,M步采用数值优化算法更新上一次迭代的弹道系数,通过E步和M步的不断迭代,以保证状态估计和弹道系数辨识的一致性。算法仿真对比表明:所提算法的状态估计和参数辨识精度均优于传统的状态增广算法。     

高超声速滑翔再入飞行器弹道估计的自适应卡尔曼滤波

采用传统状态增广法对高超声速滑翔再入飞行器(HGRV)进行弹道估计,存在模型简化误差过大和过程噪声方差难以构造的问题.依据目标运动特性和模型简化误差定量分析结果,状态方程改进为采用圆形地球模型和拟合大气模型并考虑哥氏力.采用一阶Markov过程描述气动力参数,将过程噪声方差构造为气动力参数方差和机动时间常数的函数,时变气动力参数方差采用“渐消记忆”的统计估计法由气动力参数估计值序列统计获得,而存在跳变的机动时间常数则作为运动模式采用变结构交互多模型法与运动状态一起估计.仿真结果表明,所提算法对位置、速度和气动力参数的估计精度优于传统算法,具有较好的工程实用性、鲁棒性和效费比.     

升力式再人弹道拉起段近似解研究

针对现有方法在求解升力式再入弹道拉起段时的不足,考虑再入平面动力学模型中的引力项、离心力项的影响,推导了拉起段的速度、高度、航程变化量的近似解.通过与数值仿真校验和现有方法的对比,验证了近似解在估计精度上的改善效果.研究结果可用于升力式再入飞行器的设计评估与制导算法的设计.     

大气密度分层计算时的再入弹道解析解

给出了在考虑阻力系数为速度的函数的情况下,并将大气密度进行分层计算时,估算再入飞行器弹道主要参数的一组解析式。按上述方法进行了仿真计算,并将计算结果,Ｂａｒｂｅｒａ解,有关文献解同数值解进行了比较。结果表明,由于大气密度采用分层计算,更真实地反映了飞行器的再入环境、解析估算值较其它两种解更接近于数值解,完全可用于再入飞行器的再入弹道初步估计和再入性能分析。     

高超声速飞行器再入轨迹多目标优化

针对飞行器再入轨迹多目标优化问题,提出了一种基于粒子群算法与层次分析法的综合求解策略。首先,根据飞行器的动力学模型以及再入约束条件,建立了飞行器多目标优化模型;然后,考虑到粒子群算法只能求解无约束单目标问题,采用罚函数处理飞行过程中的约束条件和优化目标;最后,针对不同约束及目标的权重对再入轨迹的影响,利用层次分析法建立包含主观评估信息的优化模型,采用粒子群算法优化求解满足相应约束条件的再入轨迹问题。仿真结果表明,该方法所生成的优化轨迹具有较高的精度和计算效率,并对设计者的主观需求有良好的体现。     

利用雷达数据事后确定机动式再入目标的弹道

本文研究出一种利用雷达跟踪数据事后分析确定机动式再入目标的气动参数的技术。本技术使用了加权最小二乘序贯估计器,该估计器在各批处理数据中依次步进移动。观测值为来自分布在落点附近精密跟踪雷达的角度和距离数据。用六维估计器(三维位置和三维速度)来估计再入目标自由飞行段的状态。本文还导出了两种再入估计器:第一个是七维估计器,包括六维自由飞行参数加上一个弹道系数,用来估计弹道再入段的状态,第二个是九维机动再入目标估计器,一旦有机动发生就用这种估计器。研究出一种基于测量残差监视的算法,可以自适应地从六态估计器转换成七态估计器,再到九态估计器。进行了一系列数值仿真,检验了这种技术及其编程。利用蒙特卡罗仿真验证了估计器的协方差矩阵的精度。     

基于直接配点法的滑翔轨迹快速优化设计

介绍了基于五次Gauss-Lobatto多项式的直接配点法在再入飞行器三维轨迹最优化问题中的应用。首先给出了再入飞行器轨迹优化问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为到达指定地点飞行时间最短,控制变量则为无量纲升力系数和倾侧角。再入飞行过程中受到加热率、过载和动压约束,终端状态受到目标位置约束。然后,应用直接配点法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各节点和配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解。仿真结果表明直接配点法对于再入飞行器轨迹初始参数取值不敏感,且求解过程具有一定的实时性。     

面向弹道优化的高超声速再入飞行器模态稳定性分析

为研究高超声速再入飞行器沿弹道的自由扰动运动的稳定性,考虑大气密度随高度的变化和引力梯度,建立了高超声速无动力再入纵向动力学小扰动线性化方程,然后获得转移矩阵和特征方程,在此基础上进行沿弹道的纵向模态分析。利用二次曲线及基于类型函数和形状函数（CST）的方法提出升力式高超声速飞行器气动布局,并采用工程估算方法获得飞行器气动特性数据。针对最大射程、最小射程和跳跃弹道等典型再入弹道进行沿弹道的模态稳定性分析,得到高超声速再入弹道高度模态、沉浮模态和短周期模态稳定性沿弹道的变化特征。从稳定性的角度,对弹道优化提出建议：应避免所设计的弹道产生太大的跳跃,即使是牺牲一些射程上的性能,因为跳跃会使短周期模态和沉浮模态产生更多的不稳定特征根。     

考虑禁飞圆的滑翔式机动弹道与气动特性参数耦合设计

 为获得滑翔式再入飞行器最佳气动与弹道机动性能,针对规避禁飞圆的远程滑翔式再入问题提出了一种机动弹道与气动特性参数耦合设计方法。耦合设计外环以气动特性参数为设计变量,基于抛物阻力极线模型提取最大升阻比和对应升力系数为气动特性参数;耦合设计内环以泛化升力系数和侧倾角为设计变量,获得给定升阻特性下能规避禁飞圆且满足再入走廊要求的滑翔式再入轨迹。耦合设计问题以再入驻点总热流最小为优化目标,以再入走廊、终端位置和速度为约束,求解满足弹道机动要求且目标函数最小的最佳气动特性参数。提出了一种规避禁飞圆的侧向几何制导逻辑用于内环轨迹设计。仿真算例得出禁飞圆半径越大,需要的滑翔式再入飞行器最大升阻比越大,且再入轨迹刚好能绕过禁飞圆。仿真结果验证了耦合设计方法和侧向制导逻辑的有效性,该方法可为飞行器方案设计时的气动布局选型等工作提供参考。     

飞船返回舱再入飞行迎角和侧滑角估计

迎角和侧滑角是飞船返回舱再入飞行试验气动分析工作所需的重要参数.本文发展了基于弹道重建的返回舱迎角和侧滑角估计方法.首先,利用舱上测量数据和有限的地面雷达测量数据,采用极大似然法进行弹道重建,再现黑障区的弹道,同时给出整个再入过程的弹道参数;然后,利用几何关系法计算迎角和侧滑角,并进行风修正.对某飞船返回舱的飞行试验数据进行了计算和分析,结果证实了弹道重建数学模型和算法的正确性以及迎角和侧滑角估计方法的有效性.     

航天飞机再入航迹初步设计的一种计算方法

本文给出一种由航天飞机质心位置和飞行速度随高度的变化值计算再入航迹其它运动参数的方法。用美国“哥伦比亚”号航天飞机轨道器的飞行数据验算表明,该方法不失为一种可供再入航迹初步设计中选用的简便算法。     

Tracking a ballistic target: comparison of several nonlinear filters

This paper studies the problem of tracking a ballistic object in the reentry phase by processing radar measurements. A suitable (highly nonlinear) model of target motion is developed and the theoretical Cramer-Rao lower bounds (CRLB) of estimation error are derived. The estimation performance (error mean and standard deviation; consistency test) of the following nonlinear filters is compared: the extended Kalman filter (EKF), the. statistical linearization, the particle filtering, and the unscented Kalman filter (UKF). The simulation results favor the EKF; it combines the statistical efficiency with a modest computational load. This conclusion is valid when the target ballistic coefficient is a priori known.     

有动力空间再入打击飞行器航迹优化

提出了有动力再入打击飞行器的航迹优化方法。基于标准的大气模型、数值的气动模型,考虑地球自转效应,建立了有动力再入打击飞行器的航迹优化模型。将再入航迹分为助推加速段和无动力滑翔段分别优化,从而得到优化航迹。算例表明,该方法得到的航程比最大升阻比航迹增加7.3%。因此,该方法用于有动力再入航迹的优化是有效的、可行的。     

基于NFTET的高超声速飞行器再入容错制导

针对以X-33为对象的三自由度高超声速飞行器,采用相邻可行轨迹存在定理(NFTET)设计了容错制导律以解决再入段执行器发生故障的轨迹重构问题。在标称情况下采用预测校正算法生成满足再入过程约束和终端约束要求的再入轨迹;当执行器发生故障时,飞行器气动参数、结构和舵面力矩都可能发生不可预测的变化,原先的轨迹不再满足制导要求,因此需要设计新型容错制导律。针对实际再入制导模型,基于NFTET设计容错制导算法对轨迹进行重构,得到满足故障情况下制导任务的可行轨迹。从仿真结果中可以看出,容错制导算法生成的新轨迹重新回到了约束范围之内,轨迹呈收敛趋势,使得高超声速飞行器从故障恢复到正常飞行状态,提高了飞行器的自主容错能力。     

高超声速飞行器再入多段导引方法研究

针对通用航空飞行器(CAV)的再入飞行问题,研究了一种滑翔式再入飞行器的三自由度轨迹快速生成方法。该方法将再入轨迹分为初始下降段、过渡段和占大部分飞行时间的拟平衡滑翔段,引入拟平衡滑翔条件(QEGC),将过程约束转换成倾侧角制导律的上界。结合预测校正方法在线设计满足各种轨迹约束的倾侧角制导律,最后在计算机上进行制导仿真。仿真结果表明,该方法可快速地得到满足过程约束和目标要求的弹道。     

轨迹／飞行器总体参数的一体化优化方法研究

基于飞行力学、最优控制理论、最优化方法，采用两种轨迹／飞行器总体参数的一体化优化方法－－静态＋动态一体化优化方法和参数最优化方法，研究载人飞船再入的轨迹／总体参数的优化，并比较了两种一体化优化方法的不同特点。通过数字计算，得到飞船的最优滚转程序、升阻比，再入角和再人终端时间。结果分析表明，两种一体化优化方法有得到较高精度。     

航天器进入制导方法综述

航天器制导系统的设计至关重要,直接关乎航天器能否安全返回地球或着陆行星表面指定区域。在给出航天器进入动力学模型的基础上,首先分析了进入制导问题建立及难点,然后综述了航天器进入制导方法的研究现状,分析了各类进入制导方法的优缺点。作为统一或通用方法,介绍了实际应用于中国航天工程再入返回的自适应预测校正制导方法。面向未来发展亟待解决的问题,在线快速规划可行轨迹的重要性凸显,分析了在线轨迹规划方法所需要解决的问题以及今后进入制导方法的发展方向。     

精确轨道航天器的姿态机动策略选择

航天器姿态控制一直是地面飞控的核心,尤其对于有精确轨道控制要求的航天器,姿态控制的策略选择直接关系任务成败。探月三期月地高速再入返回任务对再入角有着严格要求,为了实现返回器高精度再入,在系统介绍服务舱的姿态控制模式、控制方法和控制流程的基础上,提出了利用修改相平面参数和轮控调姿,以建立轨控姿态,从而减少姿控喷气,并提高轨控精度的方法。飞行结果表明,中途修正的控制精度从最初的分米量级提高至0.009m/s。高精度轨道控制使得提前32h再入角控制精度达到0.024°,较设计指标提高1个数量级。文中提及的轮控调姿方法可作为未来深空探测任务姿态控制的设计参考。     

航天器再入制导方法研究现状与发展评述

介绍了国内外航天器再入制导方法领域研究的近期进展,分标准轨道制导法和预测-校正制导法详细剖析了各种再入制导律的设计思路与研究框架,指出了自主性、自适应性和鲁棒性、并且能够适应多任务的新型再入制导方法是目前的研究热点和发展方向。