吸气式空天飞行器闭环上升制导研究

闭环上升制导是吸气式空天飞行器达到快速优化、实时规划以及自主制导的必然要求。采用GHAME吸气式空天飞行器作为研究对象,提出了闭环上升制导最优控制方案,重点论证了该方案不存在关于节流阀值的奇异问题,并阐述了最优推力控制的Bang-Bang控制。引入有限差分法求解两点边值问题,并通过终端时刻调节算法求解终端时刻自由问题。仿真结果表明,所提出的闭环制导算法是有效、可行的,具有显著的优越性。     

星际小推力转移轨道快速设计方法

 针对星际探测任务中燃料最省小推力转移轨道问题,提出一种基于标称轨道的快速设计方法。首先以具有相同端点时刻的无摄动标称轨道为参考,对传统的非线性轨道优化模型进行合理变换,将复杂的优化问题简化为可解的两点边值问题;然后基于标称轨道3个独立积分推导出解析的状态转移矩阵,并以此为基础导出了两点边值问题的最优解析解。该方法无需数值迭代,有效地克服了数值优化方法收敛性差、计算效率低的缺点。最后,以探测火星的小推力转移轨道为例对该方法进行了验证,与精确的数值结果相比,该方法计算的燃料消耗误差小于1%。     

有动力通用再入飞行器的轨迹设计与优化

研究了有动力通用再入飞行器的燃料最优巡航轨迹,将问题转化为求解最优稳态巡航轨迹和最优周期巡航轨迹问题。基于稳态动力学方程求解了全局最优稳态巡航轨迹,采用直接打靶法求解了最优周期巡航轨迹,求解过程均考虑了质量变化。结果表明,与全局最优稳态巡航轨迹相比,在一个周期内,最优周期巡航轨迹在燃料消耗和吸热量两个方面都更具优势,采用超燃冲压发动机和火箭发动机分别可以节省4.75%和3.96%的燃料,吸热量分别减小10.4%和5.9%。     

载人月面着陆过程的应急上升轨道优化设计

研究了月面软着陆过程发生故障后的应急上升轨道,建立了整个应急上升过程的优化设计模型,并针对构建的强约束轨道优化问题,设计了将Gauss伪谱法和直接打靶法结合的混合优化策略,求解得到了满足应急条件的上升轨道参数。仿真分析表明该方法可以有效解决月面应急上升轨道优化问题,且求解收敛性和鲁棒性较好,可为同类问题的求解提供参考。     

月球软着陆制动段飞行轨迹与制导律研究

对自环月轨道开始的月球软着陆制动段飞行轨迹和制导律进行了研究。建立了统一的均匀球体三维软着陆模型,采用燃料次优解析制导方法,通过单步优化获得了局部最优的推力角解析式。同时,在推力角中引入前馈项,用于消除初始位置和速度偏差对软着陆的影响。对制动段飞行轨迹的仿真分析验证了制导律设计的有效性。     

持续推进地球轨道转移的直接优化方法(英文)

对于一大类时间最省(单次推进)和燃料最省(多次推进)的中等推力水平持续推进地球轨道转移问题,本文给出了一种系统的直接优化方法。首先,对于具有倾角和偏心率的目标轨道,我们介绍了一种惯性坐标转换方法得到更具一般性的末端约束条件。这个转换避免了逆行赤道轨道对春分点轨道根数引起的奇异,同时也提高了求解优化问题的收敛性。多次打靶法在本文中也得到了应用,给出了针对不同形式的轨道转移如何分配多次打靶变量的方法。基于惯性坐标转换和多次打靶法,最优控制问题转换为利用非线性规划法求解的参数优化问题。本文给出了单次推进时间最省以及多达12次推进燃料最省的轨道转移仿真结果,所有收敛结果均以简单定义的初值迭代得到。最后,我们讨论了利用模型预测控制进行自主制导的潜在方案。     

变比冲发动机作用下共面燃料最优轨道转移

以国外目前正在研制中的变比冲磁等离子体火箭发动机(VASIMR)为背景,研究了变比冲发动机作用下的同平面燃料最优轨道转移。推力方向角和比冲为控制变量,发动机总功率为常值,发动机可多次开关机。采用经典最优控制理论,运用庞德里亚金最小值原理将问题转化为两点边值问题,并通过非线性规划算法求解,得到了受精确开关函数控制的最优比冲时间历程。给出的VASIMR发动机应用算例结果表明,采用VA-SIMR发动机有益于提高航天器有效载荷所占比例。     

基于粒子群优化的月球捕获制动方法研究

在给定燃料下,探测器被月球引力捕获并精准进入绕月轨道是月球探测任务中需要考虑的重要问题之一。针对固定推力制动策略,以最终绕月轨道偏心率以及最终绕月轨道近心点高度为约束,以燃料消耗为性能指标,使用粒子群算法进行月球捕获过程的轨道优化,仿真整个捕获制动过程。结果表明,在粒子群优化算法框架下,使用固定推力方向制动策略进行捕获制动,得到的捕获轨道能够很好的满足所有终端状态约束,并且能够优化燃耗。此外,采用的固定推力方向制动策略易于实现,对控制系统要求较低。将粒子群优化算法应用到固定推力方向捕获制动策略中,可避免复杂的方程分析,整个系统简单有效,具有一定的工程实用性,可为我国月球探测轨道设计提供参考。     

高超声速飞行器滑行段最优弹道的间接算法

针对高超声速飞行器滑行段非线性程度高的特点,提出了逐步细分的参数法优化策略,采用序列二次规划(SQP)算法得到了问题的次优解.在此基础上,构建了原系统的等价系统,并给出了两个系统协态变量之间的关系,提出了沿次优弹道的分段打靶法,求解等价系统的两点边值问题(TPBVP) 后,经转化得到了原问题的最优解.优化结果表明,采用逐步细分的优化策略能克服优化算法对初值敏感的缺点,快速稳定地收敛到问题的解,沿次优弹道的分段打靶法更能适应非线性程度高的系统.     

基于同伦方法的地月系L_2点小推力转移轨道优化

针对地月系下航天器从GEO轨道到L2点的时间最优小推力转移轨道问题,基于庞德里亚金极值原理,推导了限制性三体问题模型下的小推力转移轨道优化问题的最优性一阶必要条件,即推力保持最大值,且方向始终沿主矢量反方向,并将优化问题转换为两点边值问题。通过与同伦方法相结合,解决了间接法求解过程中收敛域小的困难。首先构造了针对推力幅值进行同伦的同伦函数,以大推力幅值的轨道转移问题作为同伦初始问题,然后选取连续同伦中的伪弧长法为同伦曲线跟踪方法,通过迭代求解了不同同伦参数值下的子问题,最终得到原问题下的小推力转移轨道。最后,在数值仿真中得到了不同推力值下的转移轨道,验证了该同伦方法在求解小推力转移轨道中的有效性。     

基于梯度下降法的翼伞系统最优分段航迹规划

传统最优控制航迹规划一般以逆风精确着陆、控制能量小为优化目标，但传统最优控制的操纵过程一般是一条连续变化的曲线，工程上不易实施；与之相比，传统分段航迹规划操纵简单，工程上容易实施，能实现逆风精确着陆的目标，但控制能耗大。为了兼顾逆风精确着陆、能耗低和控制操作简单等目标，提出了一种基于梯度下降法的翼伞最优分段航迹规划方法。该方法将控制变量参数化，将逆风精确着陆、控制能耗小、能实现避障等多目标优化问题转化为加权单目标优化问题，并通过梯度下降法求解得到分段常值最优归航航迹。所提算法与基于伪谱法的最优控制规划航迹和基于遗传算法的分段规划航迹进行了对比，算法仿真结果表明本文提出的最优分段航迹规划法既可以实现着陆精度高、控制能量小、逆风着陆和避障的优化目标，同时规划的航迹又由分段常值实现控制，工程上容易实施，兼顾了最优控制航迹规划和分段航迹规划的优点。     

基于高斯伪谱法的翼伞系统复杂多约束轨迹规划

翼伞系统在实际环境中飞行时易受到风场以及地形环境等复杂干扰的影响,无法精确归航,控制难度较大。针对该问题,提出了一种针对复杂多约束条件的翼伞系统的最优控制轨迹规划方法,可同时实现翼伞系统在复杂环境下逆风对准、精确着陆以及控制量全局最优的控制目标。首先,建立了风场干扰下的翼伞系统模型;然后,通过引入地形环境曲面,将复杂环境转化为实时路径约束,将轨迹着陆偏差以及逆风雀降转化为终端约束,并考虑控制量消耗最小为目标函数,以此将复杂环境下的翼伞系统的轨迹优化转化为一系列非线性的带有复杂约束的最优控制问题;最后,采用高斯伪谱法将多约束最优控制问题转化为易于求解的非线性规划问题。通过设立3组复杂环境仿真实例和实验验证,表明本文方法使翼伞系统在多种较恶劣的复杂环境中有效应对多类约束条件,规划出控制量全局最优的可行轨迹。与已有的混沌粒子群优化算法相比,本文方法具有较好的最优性和较高的精度。     

飞行器无动力应急着陆域和着陆轨迹设计

针对飞行器动力故障迫降着陆问题,提出一种应急着陆域（ELR）和着陆轨迹设计方法。首先,提出了无动力应急着陆域的概念,即无动力条件下可实现成功着陆的着陆点范围,并分别应用最优控制方法和hp自适应伪谱法对着陆域进行设计和求解;采用理论分析与仿真验证相结合的方法分析应急着陆域的特点以及影响着陆域大小的主要因素,并据此得到求解应急着陆域的简单近似方法。然后,依据所求得的应急着陆域,选择合适位置作为预定着陆点,并应用最优控制方法设计对应的着陆轨迹。仿真结果表明：应急着陆域的建立、分析对快速选择预定着陆点具有重要参考价值;设计的应急着陆轨迹可引导无动力飞行器实现成功着陆。     

Prediction of pilot workload in helicopter landing after one engine failure

This paper presents a method to predict the pilot workload in helicopter landing after one engine failure. The landing procedure is simulated numerically via applying nonlinear optimal control method in the form of performance index, path constraints and boundary conditions based on an augmented six-degree-of-freedom rigid-body flight dynamics model, solved by collocation and numerical optimization method. UH-60A helicopter is taken as the sample for the demonstration of landing after one engine failure. The numerical simulation was conducted to find the trajectory of helicopter and the controls from pilot for landing after one engine failure with different performance index considering the factor of pilot workload. The reasonable performance index and corresponding landing trajectory and controls are obtained by making a comparison with those from the flight test data. Furthermore, the pilot workload is evaluated based on wavelet transform analysis of the pilot control activities. The workloads of pilot control activities for collective control, longitudinal and lateral cyclic controls and pedal control during the helicopter landing after one engine failure are examined and compared with those of flight test. The results show that when the performance index considers the factor of pilot workload properly, the characteristics of amplitudes and constituent frequencies of pilot control inputs in the optimal solution are consistent with those of the pilot control inputs in the flight test. Therefore, the proposed method provides a tool of predicting the pilot workload in helicopter landing after one engine failure.     

扰动环境下火星精确着陆自主轨迹规划方法

针对扰动环境下火星精确着陆动力下降段自主轨迹规划问题,在终端时间自由条件下,研究了基于序列凸优化方法的自主轨迹规划方法。首先,在终端自由情况下,建立初始状态无扰动轨迹预规划问题。其次,结合鲁棒Tube-MPC思想,针对线性反馈控制律,建立扰动环境下着陆轨迹重规划问题,分析重规划问题的可行性,给出了预规划问题可行的必要性条件,为控制参数的选取提供参考,提出扰动环境下火星精确着陆自主轨迹规划框架。然后,针对终端自由问题,将飞行时域映射到单位时间,建立序列凸优化子问题,对子问题进行线性近似,使用序列凸优化方法进行求解并分析了收敛解的最优性。最后,进行数值仿真,验证扰动环境下火星精确着陆自主轨迹规划方法的有效性。     

直升机单发失效后自转着陆轨迹优化

建立了直升机单发失效后增广的纵向三维刚体飞行动力学模型,通过选择合适的目标函数、路径约束和边界约束,将自转着陆问题表示成非线性最优控制问题,使用非线性规划方法求解得到自转着陆的最优轨迹和操纵.以UH-60直升机为例,首先计算了自转着陆距离最短的最优解,并与二维点质量模型进行对比.结果表明三维刚体模型在旋翼转速、旋翼拉力...     

一类最佳飞行轨迹的计算

 本文给出了一种简化的直接多重打靶算法,并讨论了该算法在求解一类最佳飞行轨迹上的应用。数值计算结果表明,本文所给的算法收敛性好,对初值无很高要求,因而避免了在计算之前对问题进行冗繁的解析分析。     

载人月球软着陆任务紧急中止轨道分析与设计

针对载人月球软着陆进程中,由载人飞船发动机失效引起的任务中止问题,首先分析主发动机失效可能引起的撞月轨道、环绕轨道、逃逸轨道等轨道类型及其特点;然后分析了中止任务执行的前提条件及中止过程的导航制导要求,在此基础上,考虑二体模型,提出普适的共面软着陆中止轨道计算方法;最后,在考虑登月飞船生保系统时间限制条件下,给出下降级主发动机失效情况下,撞月轨道的中止仿真算例。仿真结果表明,该方法可以实现登月飞船软着陆制动故障情形下的任务中止,能够确保飞船安全返回环月轨道。     

基于偏置比例导引与凸优化的火箭垂直着陆制导

凸优化由于求解效率高在飞行器轨迹规划和制导中得到广泛研究应用。但是，由于火箭垂直返回制导需要考虑气动力带来的非线性，现有的凸优化求解方法或简单地采取逐次线性化近似凸化最优控制问题，经常出现收敛性问题；或需针对具体问题进行相应的系列凸化剪裁，虽然改善了收敛性，但不同模型的凸化剪裁方法差别很大，通用性较差。为此，将偏置比例导引与凸优化相结合，用以求解存在落角、落速和推力范围约束的火箭垂直返回定点软着陆制导问题。提出的制导方法将该制导问题分解为法向满足落角与落点约束的偏置比例导引，以及切向满足速度与推力约束的凸优化和滚动时域控制制导。在切向制导中，提出利用三次多项式近似飞行轨迹以方便凸优化求解，并建立剩余飞行时间的估算方法以提供给比例导引。仿真结果表明，提出的制导方法能有效满足各种约束，实现火箭精确着陆。与现有的直接采取逐次线性化近似的凸优化方法相比，提出的方法由于将制导进行切向和法向分解，大为简化了凸优化模型，显著提高了求解效率和收敛性。此外，提出的方法无需复杂繁琐的凸化处理，对于一般的推力可控且对末速存在约束的固定终端位置的制导问题皆适用。