临近空间太阳能飞机能量最优飞行航迹规划方法展望

临近空间太阳能飞机是低速临近空间飞行器中一种极具发展潜力的技术途径，有望成为一个理想的区域通信、中继和运输平台。实现N×24小时能源闭环的超长航时飞行，是发展临近空间太阳能飞机的核心问题，也是形成“区域保持+时间持久”特色能力的关键。能量最优航迹规划方法是解决临近空间太阳能飞机跨昼夜能量闭环难题的有效技术方向。当前临近空间太阳能飞机能量最优航迹规划方法可分为2类：不考虑风场变化的能量最优航迹规划方法和不考虑大范围高度变化的能量最优航迹规划方法。分别对这2类问题的研究成果进行了分析与讨论，考虑不同处理框架给实际工程应用带来的困难与挑战，认为未来应统一考虑太阳辐射、空间高度和风场变化，并融合重力势能与梯度风场对太阳能飞机临近空间持久驻留能量变化的影响，开展基于强化学习框架的太阳能飞机能量最优“通用”飞行航迹规划方法研究。为此，有必要开展临近空间风场环境表征与重构、临近空间梯度风场对太阳能飞机滑翔轨迹能量影响分析、最优飞行航迹示教轨迹生成与分类、基于示教轨迹的太阳能飞机强化学习框架构建等关键技术研究。可为设计太阳能飞机能量最优航迹规划方法提供参考，为规划太阳能飞机研究技术路线提供支撑。     

飞行器任务规划技术综述

任务规划是各类飞行器尤其是军用飞行器成功遂行任务的有效支撑和重要保证。首先,介绍了飞行器任务规划的基本概念;其次,系统地分析和梳理了任务规划技术的体系结构,从研究方法及对象的角度,将其归纳为面向多飞行器任务分配及协同的行动规划、面向飞行器战术动作实施方法设计的战术动作规划和面向飞行路径生成的航线/轨迹规划3个层次;随后,阐述了国内外飞行器任务规划各层次的研究现状,在问题建模与求解上所形成的代表性方法及其特点,以及飞行器任务规划在军事领域的应用现状;最后,论述了飞行器任务规划的关键技术及发展趋势。     

多太阳能无人机覆盖路径优化方法

为解决传统电动无人机在覆盖作业时存在的续航时间短的问题,提出应用多架太阳能无人机进行覆盖作业。首先,在建立了应用于覆盖作业的太阳能无人机的能量模型的基础上,提出了能量流动效率这一指标来评价太阳能无人机在作业过程中对能量的利用率。其次,针对边界存在障碍物的凹多边形区域和内部含障碍物的多边形区域,以总作业完成时间最短为优化目标,提出基于无向图搜索方法的覆盖路径优化模型,定义约束方程限制无人机按照一定规则访问无向图中的节点,通过混合整数线性规划的方法求解每架无人机的最优飞行路径。再次,考虑无人机转弯时的姿态变化对能量流动效率的影响,将总作业完成时间最短和总能量流动效率最高同时作为优化目标,建立双目标优化方程,在首先以作业时间最短为优化目标进行求解的基础上,通过有限遍历的方式选择使能流效率和作业时间相对最优的覆盖飞行方向及飞行路径。大量仿真实验表明,所提的优化模型选取不同的优化目标,应用于不同形状的待覆盖区域,适用性广,在工程上应用范围广、可行性强。     

基于能量优化的无人机机动轨迹生成方法

基于能量优化的无人机机动能够使无人机在不失去决定性位置优势的情况下获取相对于对手的能量优势，足够的能量优势可转换为有效的位置优势，有利于无人机在空战中随时改出当前机动并投入下一机动动作，对于无人机获取空战胜利至关重要。开展了基于能量优化的无人机机动轨迹生成方法研究，通过在无人机机动飞行包线内设计合适的机动指令，使得无人机能量性能指标最优。以上升转弯机动为例进行了机动轨迹生成的详细设计，并与常规上升转弯机动轨迹生成结果进行对比，仿真结果显示所设计的机动动作完成时间缩短了28.6%~83.8%，总能量变化减少了64.7%~70.1%，实现了无人机机动飞行的能量优化。     

太阳能飞机能量平衡建模

能量平衡是太阳能飞机设计工作的核心和难点。基于太阳能飞机能量原理,结合太阳辐射模型和太阳能飞机典型飞行剖面开展太阳能飞机能量平衡建模研究。根据太阳能飞机起飞-爬升-巡航阶段和持续跨昼夜飞行阶段的飞行剖面和能量需求,分别建立了各阶段的能量平衡模型,给出了各时段的能量特性计算方法并对傍晚下滑阶段的多种飞行情况进行了分类讨论。最后以某太阳能飞机为例对本文所建立的起飞-爬升-巡航能量平衡模型和持续跨昼夜飞行能量平衡模型进行了验证。     

激光输能无人机的概念研究

激光输能无人机(UAV)由于飞行高度高和续航时间长等优势得到关注.从激光输能角度,基于无人机质量评估模型,建立了激光辐照功率密度和无人机输出功率以及飞行性能之间的函数关系.以Sky Sailor太阳能无人机为例,计算分析了激光输能无人机和太阳能无人机的升限和飞行包络.结果表明由于激光辐照功率密度大和光/电之间能量转化效率高,与太阳能无人机比较,可携带的有效载荷更大、升限更高、爬升和抗扰能力更强;随着激光辐照功率密度增大,即使电子设备和有效载荷的质量和功耗都增大,飞行包络很宽,同时,飞行速度增大,但实际升限有所降低.     

无人机爬升航迹优化设计研究

为改进无人机的飞行性能，应用可变误差多面体法求解了在垂直平面内的最经济和最快爬升轨迹。计算结果表明，经优化后的爬升航迹可以节省燃油，延长无人机的续航时间和有效任务时间，具有较好的性能收益。     

不间断飞行小型太阳能无人机总体设计与优化

<正>无人机已发展成为航空领域中的重要分支,并将在未来受到持续关注。续航性能是无人机的一项重要性能指标,传统的小翼展(小于5m)无人机受到能源的限制,续航时间与航程等都严重不能满足要求。随着太阳能技术、储能电池技术迅速发展,利用太阳能作为无人机能源可有效解决小翼展无人机续航性能问题,使小型太阳能无人机实现昼夜不间断飞行成为可能。不间断飞行的太阳能无人机能扩展并提供持续的空中服务,应用包括农业监测、抢险救灾、交通数据收集、边境巡     

城市物流无人机飞行任务剖面构建与优化

无人机应用于物流行业中末端配送环节已成为未来的发展趋势。针对现有物流无人机路径规划研究中对起飞、爬升、下降、着陆及备降等飞行任务剖面考虑较少的问题,提出了完整飞行任务剖面构建与优化的方法。首先,通过实际调研,建立物流无人机飞行任务剖面及参数化表达方法。然后,建立各阶段飞行任务剖面的数学模型,并基于模拟退火算法和粒子群算法对物流无人机飞行任务剖面进行优化。研究结果表明,优化后的飞行任务剖面耗能显著优于原始任务剖面,并可提高运行效率。     

发展中的长航时无人机动力装置

长航时无人机是一种续航时间长,能长时间执行空中侦察、监视、探测和战场损伤评估等任务的无人机。这种无人机有高空长航时无人机与中空长航时无人机。高空长航时无人机飞行高度一般为13700～18000米以上,续航时间一般在24小时以上;中空长航时无人机飞行高度一般在8000～13700米,续航时间不少     

太阳能无人机能源系统的关键技术与发展趋势

作为探索临近空间领域的新兴飞行器，太阳能无人机（SUAV）在性能、技术及任务航时均呈现出不同于传统飞行器的新特点。其中，太阳能无人机能源系统的比能量、比功率是影响飞机整体性能的核心因素。因此，本文首先对太阳能无人机的太阳电池、储能电池的发展现状进行了阐述，然后针对能量获取多元化、能源系统管理高效化、能源载荷一体化方向对太阳能无人机能源系统的未来发展趋势进行了展望。     

Autonomous mission reconstruction during the ascending flight of launch vehicles under typical propulsion system failures

In recent years, Chinese Long March(LM) launchers have experienced several launch failures, most of which occurred in their propulsion systems, and this paper studies Autonomous Mission Reconstruction(AMRC) technology to alleviate losses due to these failures. The status of the techniques related to AMRC, including trajectory and mission planning, guidance methods,and fault tolerant technologies, are reviewed, and their features are compared, which reflect the challenges faced by AMRC technology...     

人工智能在航天飞行任务规划中的应用研究

 在航天飞行任务中,如何设计航天器的飞行过程,如何确定地面对航天器的控制操作,如何制定飞行控制计划等,是地面飞行控制中心面临的重大问题,也是航天飞行任务规划所要解决的基本问题。在充分认识和把握人工智能基本原理、方法和技术的基础上,提出了一个基于规则演绎和状态演化的生长式推理模型,并对模型的特性进行了详细讨论,然后导出了该模型在航天飞行任务规划问题中的具体形式,从而成功地解决了航天任务自动规划的难题。通过在实际航天任务中的应用和验证,不仅证明该模型和方法是正确的、可行的和高效的,而且证明人工智能在航天飞行任务规划中有着广阔的应用前景。     

面向突发任务的空间站任务重规划方法

针对空间站在轨运营出现突发任务的情况,提出一种基于启发式规则的任务重规划方法,满足了方案重规划的快速响应需求。根据任务执行的连续性特点和冲突状态,建立了空间站突发任务规划领域模型。考虑重规划过程中任务包含活动间复杂约束关系传播的影响,提出了时间回溯迭代冲突化解策略,同时依据任务执行时间间隔,提出针对间隔插空的时间冗余启发式规则。基于时间回溯迭代冲突化解策略和时间冗余启发式规则,对原任务执行计划进行实时重规划,实现了突发任务的快速响应。应用算例分析表明,提出的重规划方法可以成功地满足空间站突发任务规划需求,实现实时更新空间站在轨任务执行详单的目的。     

超长航时太阳能无人机关键技术综述

超长航时太阳能无人机（UAV）以其高效节能、原理上可实现无限巡航的特点受到广泛关注，而其独特的设计指标与任务特性也对各项关键技术提出了较高要求。多设计要素的高度耦合意味着不同于常规飞行器的总体设计方法，低密度、低速度的飞行条件使其具有明显的低雷诺数气动特性，柔性超大展弦比机翼带来了复杂的气动弹性问题，低翼载荷特性与较大的风场扰动增加了控制难度，极端的飞行环境与苛刻的任务指标对能源、动力系统带来了新挑战，飞行性能对能源系统的高度依赖开辟了飞行轨迹优化的研究方向。本文梳理了超长航时太阳能无人机关键技术的研究现状，在此基础上对各项技术中的难点问题进行了阐释，并对超长航时太阳能无人机未来发展趋势进行了展望。     

人工智能在航天器制导与控制中的应用综述

航天器制导与控制技术是保障空间任务顺利实施的关键技术之一。当前,动力学模型的强非线性以及参数不确定性制约了高精度姿轨控技术的发展,而系统故障则决定航天器姿轨控的成败。以机器学习为代表的新一代人工智能技术航天器制导控制领域展现了巨大的应用潜力。首先对基于人工智能技术的轨迹制导和姿态控制中的研究发展及应用现状进行归纳,分析航天器轨迹规划、姿态控制、故障诊断以及容错控制技术的发展趋势。然后,从鲁棒轨迹规划、自适应姿态控制、快速故障诊断和自适应容错控制等4个方面总结适用于未来航天任务的航天器姿轨控关键技术。最后,针对智能姿轨控技术的应用所面临的挑战,从姿轨控架构、算法最优性、算法的训练以及技术验证等方面提出相应的发展建议。     

Mission segment division of the whole aeroengine loading spectrum based on flight actions

This paper studies on a division method of the whole aeroengine loading spectrum flight mission segment and rotor speed mission segment, which is based on the actual flight actions and related to the flight operations of aeroengine and is suitable for the variable-speed aeroengines such as turbojet and turbofan. Through the research, the aeroengine loading spectrum operation-related mission segments can be divided, which can provide important data basis for the life research on the structures wh...     

燃料电池无人机能源管理与飞行状态耦合

开展了燃料电池/锂电池（简称燃锂）混合动力无人机的能源管理与飞行状态耦合研究。综合顶层飞行任务规划与底层能源系统管理,以动力系统模型为耦合点联立能源系统与无人机运动方程,建立能源状态与运动状态耦合模型。针对燃锂混合最紧密的爬升过程,以迎角、转速和燃料电池的放电功率作为控制变量,建立了燃料消耗最小的能源管理与航迹规划耦合最优控制问题,研究不同爬升高度对最优控制过程的影响,并与模糊控制能源管理策略进行对比分析。针对大功率短时爬升和小功率长时巡航的典型任务特点,建立了燃锂最优混合问题。研究了最优的锂电池容量和燃料电池功率水平的混合量,以及爬升和巡航两阶段最优功率分配和飞行状态,分析了不同巡航目标高度对最优混合量和飞行状态的影响。结果表明：采用能源与航迹耦合的最优控制策略在给出最优功率流分配的同时,能够很好地兼顾飞行状态控制;对燃锂混合和飞行状态的综合优化可以有效地处理爬升和巡航阶段的能源需求矛盾,在给出最优燃锂混合量和飞行状态的同时,降低整个任务过程的燃料消耗。     

Flight trajectory optimization of sun-tracking solar aircraft under the constraint of mission region

The optimal yawing angle of sun-tracking solar aircraft is tightly related to the solar azimuth angle, which results in a large arc flight path to dynamically track the sun position. However, the limited detection range of payload usually requires solar aircraft to loiter over areas of interest for persistent surveillance missions. The large arc sun-tracking flight may cause the target area on the ground to be outside the maximum coverage area of payload. The present study therefore develops an optimal flight control approach for planning the flight path of sun-tracking solar aircraft within a mission region. The proposed method enables sun-tracking solar aircraft to maintain the optimal yawing angle most of the time during daylight flight, except when the aircraft reverses its direction by turning flight. For a circular region with a mission radius of 50 km, the optimal flight trajectory and controls of an example Λ-shaped sun-tracking solar aircraft are investigated theoretically. Results demonstrate the effectiveness of the proposed approach to optimize the flight path of the sun-tracking aircraft under the given circular region while maximizing the battery input power. Furthermore, the effects of varying the mission radius on energy performance are explored numerically. It has been proved that both net energy and energy balance remain nearly constant as the radius constraint varies, which enables the solar aircraft to achieve perpetual flight at almost the same latitude as the large arc flight. The method and results presented in this paper can provide reference for the persistent operation of sun-tracking solar aircraft within specific mission areas.     

Scheme design of the CHANG’E-5T1 extended mission

Flight schemes for the CHANG’E-5T1 extended mission are investigated in this paper. In the flight scheme and trajectory design, the remaining propellant of the CHANG’E-5T1 mission is utilized. The CHANG’E-5T1 mission is firstly introduced with feasible flight goals derived based on the terminal trajectory and satellite status. The flight schemes are designed to include a lunar return and the libration points in the Sun-Earth/Moon and Earth-Moon systems, with an emphasis on the Earth-Moon triangle libration point thus far unexplored. Secondly, three schemes are proposed for the CHANG’E-5T1 extended mission with different flight goals. The direct libration point orbit transfer and injection method is adopted to solve the issue in the transfer trajectory design. Furthermore, an innovative concept is proposed to transfer from the Earth-Moon collinear libration point to the triangle point using the Sun-Earth/Moon libration point. Finally, the merits and drawbacks of the three schemes are discussed in terms of flight time, control energy and frequency, flight distance, and goal value. As a result, the scheme including a lunar return and the Earth-Moon L2 libration point is selected for the CHANG’E-5T1 extended mission. A flight to the Earth-Moon libration point is achieved, replicating the achievement of the ARTEMIS mission.