基于单参数迭代的TAEM在线轨迹生成方法

针对大升力体轨道再入飞行器末端能量管理（TAEM）段制导控制能力强、末端约束不惟一的问题，将TAEM段分为动压跟踪和着陆预备2个阶段，设计了不同的纵向轨迹剖面，从而将TAEM段在线轨迹生成问题转化为单参数搜索问题。第1阶段设计标称动压剖面为纵向参考轨迹，使得飞行器过程约束得到保证。第2阶段纵向剖面设计为标称高度剖面，从而使得末端点高度和倾角约束得到保证。根据末端动压误差设计修正律，迭代修正第一阶段动压剖面，从而使得最终的纵向轨迹满足所有的状态约束。在线轨迹递推采用以时间为自变量的数值积分，递推过程引入闭环制导律，通过实时修正攻角跟踪纵向剖面，修正倾侧角跟踪地面轨迹，从而保证在线生成的轨迹符合物理特性，降低闭环制导难度。在考虑初期再入末端大范围状态散布情况下，数值仿真显示了所提算法的鲁棒性。     

亚轨道飞行器能量管理段轨迹设计

亚轨道飞行器（SRLV）通过跟踪特定的轨迹来实现对能量的控制与管理,轨迹设计是能量管理的一项关键技术。深入研究了亚轨道飞行器能量管理段（TAEM）轨迹的设计思想、准则和流程;提出了一种基于待飞距离规划动压剖面的轨迹设计方法,通过调整航向调整段的动压剖面,保证飞行器以亚声速状态进入航向调整段,避免飞行器转弯超调;提出了采用顺风作为轨迹设计的缺省状态,保证飞行器在严重的逆风状态下仍然可以满足着陆窗口约束;通过具体算例进行仿真分析,验证了设计方法的有效性。     

考虑交接班误差的RLV进场着陆轨迹和安全交接区设计

针对考虑交接班误差的重复使用运载器(RLV)无动力自动进场着陆段轨迹设计问题进行了研究。将整个自动进场着陆过程分成交接段、标称下滑段和标称拉平段3个阶段。在依据标称交接班状态、触地状态逆序完成拉平段、下滑段的标称轨迹设计的前提下,针对可能存在的交接班误差,提出一种综合考虑纵、侧向位置和速度交接班误差的交接段在线三维轨迹设计方法,并结合阻力舵调整策略,实现RLV从交接班点向标称轨迹的平滑过渡;然后,在交接段轨迹设计基础上提出了交接高度平面内"安全交接区域(SIA)"的概念及其求解方法。仿真结果表明:所提出的轨迹设计方法及SIA对存在交接班误差的无动力进场着陆轨迹设计问题具有实际的参考意义。     

基于速度剖面拟合的航空器场面滑行4D轨迹预测

为提高机场的整体运行效率和综合保障能力,提出了一种基于速度剖面拟合的航空器场面滑行4D轨迹预测方法。构建了航空器的滑行动态模型,进而引入标称速度剖面的概念。将DSW算法应用到速度剖面的拟合中,得出一种标称速度剖面的生成方法,并通过建立平均速度修正参数修正不同机型对滑行速度的影响,基于动力学平衡方程,构造了标称速度到瞬时速度的映射,结合BADA数据实现对瞬时速度的修正。在上述分析的基础上得到航空器场面滑行4D轨迹预测模型。案例表明,与基于动力学的方法相比计算结果更加准确,使平均误差降低47．3％,能够有效地预测航空器的4 D轨迹。     

基于参数化轨迹的TAEM段在线制导方法

针对可重复使用运载器末端能量管理阶段的在线轨迹生成与制导问题,研究了一种基于参数化轨迹描述且不依赖在线积分推演与气动辨识的三维轨迹预测-校正制导算法。首先,设计了由动压上边界、下边界和最大能量边界构成的动压包线,由一个参数对包线内的动压剖面进行描述,采用离线计算的方式预先获得飞行航程随动压剖面参数、倾侧角和能量高度变化的关系并存为三维数表。随后,根据当前状态和地面航迹参数计算得到各飞行阶段地面航程信息,在待飞航程的预测中,考虑侧向机动的航程损失和模型偏差影响,采用分段查表和在线估计航程修正系数的方法对预测航程进行了两次修正。最后,研究了约束条件下的多轨迹参数连续更新策略,以保证消除航程偏差的同时轨迹具有适宜性。仿真结果表明,该方法对于初始位置、能量状态散布不敏感,其末端位置控制精度保持在米级。完成单次轨迹预测-校正的时间不超过2.3 ms,拥有较高的在线预测效率,对突发故障造成的模型偏差具有较强的适应能力。     

RBCC飞行器爬升段轨迹设计方法

 火箭基组合循环（RBCC）的发动机推力与飞行轨迹相互影响,导致飞行器轨迹设计与发动机性能分析存在耦合作用。对RBCC飞行器爬升段的轨迹设计方法进行研究,提出了基于马赫数-动压参考曲线的轨迹设计方法。对非均匀有理B样条(NURBS)曲线进行了定义补充,以用于描述具有任意形状的马赫数-动压参考曲线,并对参考曲线的各控制参数选取方法进行了研究;建立了基于二分法求解迎角并实现轨迹方程求解的算法流程。利用提出的轨迹设计方法对空中载机发射的RBCC飞行器进行了爬升段轨迹设计与分析,计算结果表明：(1)马赫数-动压参考曲线法考虑了发动机性能与飞行轨迹的耦合作用,能够适用于RBCC飞行器爬升段的轨迹设计;(2)引射模态低速段（Ma<2.0）消耗的推进剂质量超过爬升段的50%以上,是发动机性能优化的关键;(3)引射模态推进剂流量最大值与最小值之比达到了6.3;(4)当飞行马赫数达到1.7后引射模态下的来流空气冲压作用超过了一次火箭的引射作用,在保证空气捕获方面占主导地位。     

基于解析剖面的时间协同再入制导

针对高超声速滑翔飞行器再入段时间协同制导问题，提出一种基于高度-速度剖面的预测校正协同制导律。首先在高度-速度剖面内设计了参考轨迹，利用两个轨迹参数在线预测剩余飞行航程和时间；通过数值算法校正两个轨迹参数以满足航程和时间约束并求取实际控制量，结合侧向航向角走廊实现了单飞行器的时间约束再入制导。在此基础上分析了飞行器的时间可调范围，针对多飞行器协同再入任务设计了协同飞行时间和协同策略，实现了时间协同再入飞行。该策略考虑到再入过程中的通讯困难，避免了弹间通讯，且充分利用了飞行器纵向动力学，时间可控范围较大，更加适用于实际的再入过程。仿真结果说明了时间约束再入制导律对时间的可控性和协同策略的有效性。     

多飞行器再入段时间协同弹道规划方法

提出了一种多飞行器再入段时间协同弹道规划方法。首先,在纵向平面内规划满足航程与终端约束的纵向标称轨迹。随后,在采用轨迹跟踪律跟踪纵向标称轨迹的同时,运用考虑初始横侧向状态的多边界航向偏差角走廊策略控制飞行器的横侧向机动,以满足到达时间约束与终端约束,进而实现单枚飞行器到达时间约束下的轨迹规划。在此基础上,完成了飞行器的到达时间分布与飞行能力分析,给出了最小与最大到达时间的分析计算方法,并根据多飞行器协同再入的任务需求完成了协同飞行时间决策。最后,多飞行器协同再入与扰动条件下的仿真结果表明,该方法能够规划出满足到达时间与终端约束的协同再入轨迹,具备良好的计算精度与鲁棒性。     

基于预置动压的高超声速飞行器上升段轨迹设计

针对高超声速飞行器燃料最省上升轨迹的研究问题,为实现高超声速飞行器的燃料最省上升轨迹快速求解,对定动压情况下高超声速飞行器上升段轨迹特性进行了研究分析,给出了定动压情况下高超声速飞行器燃料最省上升轨迹的快速反解方法,总结分析了不同定动压下的上升轨迹特性,并在此研究的基础上提出了基于预置动压的高超声速飞行器上升段轨迹设计方法。该方法可以通过设计燃料最省的动压曲线,反解出该预置动压下的上升轨迹参数,得到一条近似燃料最省最优解的轨迹。仿真结果表明,经过解算得到的上升轨迹结果与高斯伪谱法得到的最优上升轨迹结果基本相似。     

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。     

基于多模型预测的再入飞行器制导方法

在具有控制和轨迹约束的再入制导中,提出了一种新的基于多模型预测再入飞行器纵向制导方法。首先对再入飞行器的纵向运动方程沿着标准轨道线性化,基于分段仿射约束系统建模理论逼近原非线性系统,并采用线性矩阵不等式(LMIs)优化技术离线将保证闭环系统稳定的终端二次代价项求出;然后,在每个制导周期内,基于多模型预测在线求解构造好的有限时域优化目标,从而获得控制量的增量,并把第一个控制增量分量与标准轨道的控制量叠加后形成全量控制,用于实际再入轨道的制导,而在下一个制导周期基于新的状态参数重复上面的优化过程。数字仿真结果证实了所提方法的有效性。     

Performance limitations in trajectory tracking control for air-breathing hypersonic vehicles

An integrated approach that considers the performance limitations of tracking control systems for air-breathing hypersonic vehicles is proposed. First, a set of ascent trajectories is obtained as candidates for tracking control through a trajectory design method that considers the available acceleration. Second, the basic theory of performance limitations, which is adopted to calculate the limits on control performance through the trajectory, is integrated. The open-loop dynamics of air-breathing hypersonic vehicles is responsible for these limits on the control system. Comprehensive specifications on stability, tracking accuracy, and robustness are derived, and the flight envelope with constraints and control specifications is identified. Simulation results suggest that trajectory design should consider restrictions on control performance to obtain reliable solutions.     

Autonomous gliding entry guidance with geographic constraints

This paper presents a novel three-dimensional autonomous entry guidance for relatively high lift-to-drag ratio vehicles satisfying geographic constraints and other path constraints. The guidance is composed of onboard trajectory planning and robust trajectory tracking. For trajectory planning, a longitudinal sub-planner is introduced to generate a feasible drag-versus-energy profile by using the interpolation between upper boundary and lower boundary of entry corridor to get the desired trajectory length. The associated magnitude of the bank angle can be specified by drag profile, while the sign of bank angle is determined by lateral sub-planner. Two-reverse mode is utilized to satisfy waypoint constraints and dynamic heading error corridor is utilized to satisfy no-fly zone constraints. The longitudinal and lateral sub-planners are iteratively employed until all of the path constraints are satisfied. For trajectory tracking, a novel tracking law based on the active disturbance rejection control is introduced. Finally, adaptability tests and Monte Carlo simulations of the entry guidance approach are performed. Results show that the proposed entry guidance approach can adapt to different entry missions and is able to make the vehicle reach the prescribed target point precisely in spite of geographic constraints.     

TSTO运载器一级返场轨迹优化设计与在线生成

对水平起降两级入轨（TSTO）运载器一子级返场轨迹优化和轨迹在线生成问题进行了研究。首先，给出了较独特的一子级再入轨迹设计策略：先给定侧向剖面，再分段优化求解三维轨迹。针对返场过程的大幅转向需求，设计了形式简单的倾侧角-航向角偏差剖面，并定义了具有不同任务的航向转弯段和航向微调段；针对一子级宽速域气动变化显著特点，为避免轨迹跳跃，定义了增高减速段和下降滑翔段，并采用分段优化策略求解三维轨迹。其次，针对分离扰动造成的一子级初始状态偏差，扩展了自适应高维伪谱插值（AMPI）算法的参数空间，并将其应用于返场轨迹在线生成问题。仿真结果表明，设计的倾侧角剖面能够在倾侧角不翻转的前提下调整飞行航向对准着陆场，设计的分段优化策略能够保证高度曲线平稳无跳跃，采用的自适应高维伪谱插值算法能够在分离扰动影响下快速准确地实现在线轨迹生成。     

非合作目标交会的双层MPC全局轨迹规划控制

针对空间非合作目标近距离视线交会中的全局最优鲁棒轨迹规划与控制问题,提出了基于高斯伪谱方法（GPM）和线性时变模型预测控制（LTVMPC）的双层模型预测控制（MPC）算法。在轨迹规划方面,以视线坐标系下的相对轨道动力学为模型、能量最少和控制精度最优为性能指标构建最优控制问题,利用GPM精度高、收敛速度快的特点将最优控制问题转化为易于求解的全局非线性规划问题,在MPC框架下求解得到全局最优的标称轨迹,克服了传统的MPC不适用于全局大范围非线性规划的缺点;在轨迹跟踪控制方面,考虑预测时域内状态转移矩阵的时变特性,设计了LTVMPC算法对标称轨迹进行追踪,避免了存在不确定性时轨迹的重规划,从而降低在线计算量,保证算法在线自主实施,并且采用滚动优化的策略使算法对不确定性具有鲁棒性。由于规划层和控制层考虑的约束相同,因此规划的轨迹是可控、可达的。数字仿真表明,在燃料消耗和交会时间等方面,提出的方法均显著优于传统的MPC方法,相较于传统的MPC方法,新算法的交会时间减少50%左右,燃料消耗降低30%以上。     

基于阻力加速度倒数剖面的再入轨迹规划与制导方法

针对升力式飞行器再入制导问题,提出了一种基于阻力加速度倒数剖面的在线解析规划与制导方法。首先将过程和终端约束转换成阻力加速度倒数形式的飞行走廊,采用三次样条函数描述倒数剖面。然后通过解析计算航程上下界,利用待飞航程在倒数剖面内的近似线性关系,以满足待飞航程为目标,迭代计算得到阻力加速度倒数剖面;在飞行过程中根据当前状态和实际待飞航程,周期性更新阻力加速度倒数剖面。通过对阻力加速度剖面的跟踪进行纵向制导,解算倾侧角指令;通过倾侧角反向来进行侧向制导,限制航向角偏差。实现了再入轨迹的在线快速生成与更新,并利用阻力加速度动态特性,将其与跟踪制导结合,提出的方法效率高,适应性强,有工程应用的潜力。     

Review of control and guidance technology on hypersonic vehicle

Air-breathing hypersonic vehicle has great military and potential economic value due to its characteristics: high velocity, long range, quick response. Therefore, the development of hypersonic vehicle and its guidance and control technology are reviewed in this paper. Firstly, the development and classification of hypersonic vehicles around the world are summarized, and the geometric configuration and mission profile of typical air-breathing hypersonic vehicle are given.Secondly, the control dif...