基于速度增量序列凸化的固体运载火箭制导算法

针对高低温偏差下固体发动机推力、耗尽时间和秒耗量散布大的问题，提出了一种以速度模值增量为自变量的固体运载火箭序列凸优化制导算法。该算法以速度增量替代传统的飞行时间为自变量建立动力学模型，采用序列凸优化算法求解多约束耗尽关机制导问题，并基于速度模值增量在线辨识高低温工况，修正内弹道模型。该方法相比以飞行时间为自变量的序列凸优化算法具有更高的制导精度和鲁棒性。最后，通过某型固体运载火箭高空飞行段制导数值仿真，验证了以速度增量为变量的序列凸优化算法和内弹道修正模型的有效性。     

一种对基于耗尽关机多级固体火箭概念设计的改进方法

由于维护简单和发射快速,弹道导弹多用固体火箭发动机,但繁杂的推力终止装置使各级装药不能耗尽并让结构增重。提出了一种对基于耗尽关机多级固体火箭概念设计的改进方法,此方法满足导弹系统主要的战技要求。为解决无推力终止装置的末速不准问题。可在末级发动机采用姿态调整装置,对射角进行调整,配合末速以满足射程要求。本方法还可抑制敌方反导探测。     

固体火箭的鲁棒自适应耗尽关机制导方法研究

针对固体火箭的耗尽关机制导问题,提出了一种基于闭路制导和零射程线相结合的自适应耗尽关机制导方法,该方法首先利用闭路制导技术,使待增速度快速收敛;随后基于零射程线理论,设计了对关机时间变化不敏感的零射程线能量耗散管理导引律和末速精调导引律,提高了耗尽关机方法在推力、秒耗、关机时间随机摄动条件下的鲁棒性和自适应性以及制导精度,从而拓展了耗尽关机显示制导方法的工程化应用.     

环境温度对导弹精度、最大射程的影响分析与修正

导弹发射时的环境温度会影响固体发动机的推力,推力的变化一方面影响导弹的精度,另一方面影响导弹的最大射程.根据推力与推进剂初温的关系,建立了计算标准弹道关机点参数偏差的数学模型,计算了这种误差通过制导方程高阶项引起的落点误差,并且对最大射程误差也进行了计算,同时,采用修正制导方程系数的方法,对落点误差进行了修正.仿真结果表明,通过本文提供的方法可以修正环境温度造成的落点偏差.     

大气层外拦截弹中段制导研究

大气层外拦截弹中制导的终端约束是拦截弹处于零控拦截流形上。针对目标与拦截弹引力加速度差的几种简化模型,推导了相应的零控拦截流形表达式,并进行了定量的精度分析。在此基础上,针对耗尽关机的固体燃料发动机,设计了基于剩余速度增量的制导律。通过构造虚拟剩余速度增量映射避免了剩余速度增量带来的计算奇异,并提高了制导精度对装药燃速偏差的鲁棒性。仿真表明,采用该制导律推力方向平稳,制导精度与相应的零控拦截流形精度相当且鲁棒性好。     

实现快速轨道大机动的混合制导策略研究

主要研究了在有限推力情况下远程快速轨道交会的制导控制问题,提出了采用速度增益制导结合E制导的混合轨控方案实现两冲量轨道精确交会。通过仿真验证,各方向制导位置控制精度在100 m量级,各方向速度控制精度在m/s量级,2种制导方法能很好地实现交班转换。该方法工程可实现性好,可满足远程快速轨道交会制导要求。     

具有轨道倾角和最大高度约束的耗尽关机闭路制导

快速响应空间固体运载火箭轨道转移级以最大限度利用能量而非消耗能量为目的进行耗尽关机制导,基于椭圆轨道理论和牛顿迭代法,提出了一种适用于具有轨道、制导多种约束的耗尽关机闭路制导方法,通过实时寻找需要推力方向,充分利用轨道转移级能量,导引上面级进入具有给定轨道倾角和最大高度约束的转移轨道,同时实现耗尽关机.理论推导和数学仿真表明,本文提出的制导方法能在耗尽关机条件下实现对转移轨道的高精度控制.     

大气层外拦截器脉冲制导律

针对大气层外拦截器（EKV）轨控发动机垂直于体轴且导引头视场角极窄的特点,提出了一种采用固定推力发动机沿视线法向方向调整拦截弹速度矢量实施轨控的脉冲制导（PG）方法。制导开始时制导系统确定制导脉冲的施加时刻及制导脉宽,并引导制导系统选择轨控发动机执行;用施加修正制导脉冲的方式修正拦截双方地球引力加速度差对拦截效果的影响,并确定修正脉冲的施加时刻;选择修正制导脉冲施加时刻通过实施的脉冲修正方案消除末制导段的零控脱靶量。仿真结果表明：与修正的真比例导引制导相比,脉冲制导的能耗少、实施易,拦截过程中拦截双方的高度差越小,其拦截代价也越小。     

固体火箭发动机后效推力计算

为提高导弹的精度,对固体火箭发动机后效推力进行了理论分析和计算。首先用一维两层模型计算绝热层内部温度场,建立了绝热层表面能量和质量守恒方程,得到后效段绝热层各时刻的热解气体质量和烧蚀质量,再采用经典流体力学理论对后效段发动机内弹道进行了一维计算,而后计算发动机的后效推力。计算结果表明,发动机工作结束后的后效推力迅速减小。     

J2项摄动下的远程拦截耗尽关机中制导律设计

为实现远程高精度动能拦截,针对使用固态燃料发动机的拦截弹在强时间约束下的耗尽关机问题,本文设计一种基于通用能量管理(GEM)的闭环中制导律。该制导律首先考虑了地球非球形J2摄动项对弹道影响,改进Lambert问题求解算法,在小计算量的情况下修正了因地球扁率摄动在远程拦截长时段飞行过程中引起的需求速度求解偏差,将其精度提升一个数量级。然后在GEM基础上给出了一种能量调制角虚拟映射关系实现了能量调制初段指令平滑过渡,并改变近关机点推力定向策略解决了临近关机时指令发散问题。在制导过程中加速度计反馈环节的引入增强了对推进系统参数的鲁棒性。六自由度仿真表明,相比传统GEM制导律,该制导律精度更高,任务适应性强。     

固体动能拦截器助推段飞行方案研究

针对三维空间内的高速飞行目标,提出了一种可用于固体动能拦截器助推段的导引方法。建立了固体动能拦截器与目标的相对运动关系模型,分析确定了转移轨道的约束条件,并在此基础上推导出转移轨道的轨道根数计算方法。同时根据拦截器的待增速度给出了助推器推力矢量方向的确定方法。仿真结果表明,该方法能有效实现固体动能拦截器助推段的制导控制。     

远程导引变轨方案修正算法

为在实际摄动条件下由远程导引变轨方案初始设计结果实现追踪航天器与目标航天器的交会,提出了一种修正变轨方案。将初始多脉冲式变轨方案转换为有限推力式并作修正,取远程导引结束时刻追踪与目标航天器间的相对轨道要素为目标函数,采用J2,J3,J4解析轨道预报器对目标函数计算需要的轨道进行预报,以历次变轨开始时刻、结束时刻和推力方向为优化变量,用边界约束有限存储BFGS(L-BFGS-B)优化算法获得的最优解为修正后的变轨方案,可消除摄动模型误差。算例结果表明,经转换和修正所得有限推力式变轨方案能在实际摄动条件下实现追踪航天器与目标航天器的交会。     

载人月球极地探测地月转移轨道设计

针对载人月球极地探测任务,采用一种自由返回轨道与三脉冲机动轨道相结合的地月转移轨道方案。关于自由返回轨道部分的设计,建立了基于近月点伪参数的两段拼接模型,采用一种考虑地球扁率修正的改进多圆锥截线法进行求解,仿真结果显示改进的多圆锥截线法具有更高的求解精度,可为精确设计提供更好的初值;关于三脉冲机动轨道部分的设计,基于混合轨道模型,采用特殊点变轨和Lambert算法相结合的方法进行计算,仿真结果显示该方法能够有效地降低速度增量的消耗。最后,通过大量的仿真计算,对轨道的速度增量特性进行了分析。研究结论可为未来载人月球极地探测地月转移轨道方案的设计提供重要参考。     

轨道轰炸飞行器过渡段轨道设计与制导

针对轨道轰炸飞行器(OBV)的过渡段轨道设计与制导技术进行了讨论.在初始点位置、再入点位置和再入角固定的前提下,根据冲量假设和二体理论设计了固定时间转移轨道,其实质在于制动点位置和制动速度的确定.为了消除设计偏差,提出了一种基于虚拟再入点补偿的有限推力制导方案,并简要分析了关机点参数的选取原则.对于耗尽关机的动力系统,通过运用能量管理技术实现了多余燃料的耗散.仿真结果验证了上述方法的有效性.     

动能拦截器末制导控制系统建模与仿真

对动能拦截器末段拦截的制导与姿态控制系统进行建模和仿真分析。首先建立末制导系统模型,其中包括拦截器结构模型、六自由度动力学与运动学模型、测量模型和制导控制律模型。重点分析了拦截器质心位置误差和发动机推力偏心造成的推力和力矩误差,以及由此造成的轨控系统与姿控系统的相互影响。采用一种分段末制导律,并将基于相平面分析的方法用于姿态控制律设计,以克服干扰力矩的影响。仿真分析表明,采用相应的轨控和姿控方案,能保证系统的稳定性,对目标进行成功拦截。     

Constant-thrust glideslope guidance algorithm for time-fixed rendezvous in real halo orbit

This paper presents a fixed-time glideslope guidance algorithm that is capable of guiding the spacecraft approaching a target vehicle on a quasi-periodic halo orbit in real Earth–Moon system. To guarantee the flight time is fixed, a novel strategy for designing the parameters of the algorithm is given. Based on the numerical solution of the linearized relative dynamics of the Restricted Three-Body Problem (expressed in inertial coordinates with a time-variant nature), the proposed algorithm breaks down the whole rendezvous trajectory into several arcs. For each arc, a two-impulse transfer is employed to obtain the velocity increment (delta-v) at the joint between arcs. Here we respect the fact that instantaneous delta-v cannot be implemented by any real engine, since the thrust magnitude is always finite. To diminish its effect on the control, a thrust duration as well as a thrust direction are translated from the delta-v in the context of a constant thrust engine (the most robust type in real applications). Furthermore, the ignition and cutoff delays of the thruster are considered as well. With this high-fidelity thrust model, the relative state is then propagated to the next arc by numerical integration using a complete Solar System model. In the end, final corrective control is applied to insure the rendezvous velocity accuracy. To fully validate the proposed guidance algorithm, Monte Carlo simulation is done by incorporating the navigational error and the thrust direction error. Results show that our algorithm can effectively maintain control over the time-fixed rendezvous transfer, with satisfactory final position and velocity accuracies for the near-range guided phase.     

导弹直接侧向力机动突防方案设计

针对敌方不同来袭方位的拦截弹,提出了一种可用于导弹末段侧向力机动的突防方案。在建立拦截弹和导弹的相对运动模型基础上给出了脱靶量与视线转率、相对距离和机动加速度的解析表达式。以拦截弹在视线系Z向上的脱靶量达到最大值作为性能指标,对机动发动机开启时刻进行优化确定。同时通过分析机动发动机与Y向舵偏的不同组合方式对导弹的速度增量及交会角的影响,确定机动发动机的推力方向应与气动力方向一致,并使交会角明显减小。仿真结果表明,此方案能使导弹最终落入拦截弹杀伤半径10 m之外,成功实现突防。     

远程导引脉冲变轨方案的有限推力修正

对远程导引脉冲变轨方案的有限推力修正进行了研究。将多脉冲变轨方案设计结果转换为有限推力式并进行修正,以消除转换误差和摄动模型误差。分析了由转换算法和摄动模型产生的初值误差,比较了不同工况下的修正效果。算例表明:将初始多脉冲变轨方案转换为有限推力后进行修正,所得结果能实现真实飞行环境中追踪航天器对目标航天器的拦截或交会。     

自适应预测补偿的迭代制导方法及其应用研究

针对迭代制导完成后入轨参数或终端程序角修正问题,研究一种基于模型参考的自适应预测补偿迭代制导算法在运载火箭上的应用。该算法在经典迭代制导算法的基础上,根据预测的迭代终端程序角和飞行视加速度的参考模型,对关机点参数进行补偿,依据补偿后的终端指标重新规划飞行轨迹,进而得出满足入轨参数或终端程序角偏差修正的制导指令,提升迭代制导对入轨参数偏差或终端程序角的修正能力。此外,阐述了经典迭代制导的基本算法,概括了自适应预测补偿迭代制导算法的基本原理,并以大推力直接入轨、终端程序角大偏差以及满足终端程序角约束为例,给出相应工况的自适应预测补偿的迭代制导算法。仿真结果表明：该算法对入轨参数和终端程序角偏差具有一定的修正能力。