临近空间低动态飞行器控制研究综述

针对临近空间低动态飞行器出现的新的控制问题,分析和总结了临近空间低动态飞行器控制进展状况和发展趋势。首先,基于飞艇和浮空器等临近空间低动态飞行器的特点,归纳总结了其飞行控制问题。在此基础上,结合这类飞行器的当前发展状况,从飞行器控制角度出发,着重介绍总结了临近空间低动态飞行器在控制系统执行机构配置、数学模型、姿态控制、定点控制、速度控制、航迹优化、轨迹跟踪控制、升空和返回控制、压力控制,以及应用的多种控制策略的研究进展。最后,在已有的控制问题研究发展的基础上,提出了临近空间低动态飞行器在控制研究领域所要解决和关注的若干问题。     

基于网口轨迹的空间绳网捕获

空间绳网是一种柔性的捕获技术,为更准确地研究绳网捕获空间目标的过程,提出了一种基于网口轨迹的分析方法。采用集中质量法和Hertz接触理论构建了绳网捕获目标的动力学模型。将绳网捕获目标的过程按时间先后顺序分为自由展开、包裹目标以及利用收口装置捕获目标3个阶段进行研究。基于对网口轨迹的分析,提出了绳网成功捕获目标的评价指标,重点对捕获过程中涉及的相关参数进行分析,评估了包括发射速度、捕获距离、收口时间以及偏心距离等在内的捕获参数对绳网捕获目标过程的影响。仿真结果表明,基于网口轨迹的分析方法可以更直观全面地分析绳网捕获目标的过程,并为捕获参数的选择提供参考依据,以提高绳网捕获目标的成功率。     

基于周期平均的固定翼双旋弹弹道修正方法

针对一种滚转稳定的固定翼双旋弹,提出了一种平均控制力大小可调节的弹道修正方法,并据此设计了该弹的制导与控制方法。根据固定翼双旋弹的高速旋转特性,在对其角运动方程进行简化后进行角运动分析,得到了弹体的合法向力与固定鸭舵偏转角度之间的关系,然后基于周期平均的概念提出了一种弹道修正组件以不同转速、不同振幅旋转以产生大小可控平均法向力的弹道修正方法,并通过六自由度弹道仿真验证了此方法的可行性。分析结果表明,相比于弹道修正组件固定的传统弹道修正方法,这种新型的弹道修正方法可以通过连续地控制平均法向力的大小和方向,实现固定翼双旋弹的制导与控制,消除弹道偏差,提高命中精度。     

利用逃逸能量的太阳帆最快交会轨迹优化

讨论了运载火箭的逃逸能量产生的初始速度增量对太阳帆最短时间交会问题的影响,将逃逸能量的影响处理为端点时刻状态方程受不等式约束的最优控制问题,利用间接法得到了对应的两点边值问题的求解模型。结果表明,利用该模型可以计算逃逸能量最佳的利用量,而最优的转移轨迹并非总是对应于最大的逃逸能量,因此合理利用逃逸能量能够有效缩短飞行时间。相对于一般的不考虑逃逸能量的太阳帆轨迹优化模型,本文中提出的模型能够有效利用末级火箭的助推能力,同时有效缩短了太阳帆的任务飞行时间,对于工程应用具有更实际的参考价值。     

基于微分Petri网的民机航迹演化通用模型构建

为实现对未来大流量、高密度、小间隔条件下的空域实施管理,在战略航迹规划阶段,提出了一种模块化的战略航迹演化通用模型。建立了不同航段之间航空器状态动态切换的一类宏观Petri网演化模型,以及同一航段内航空器速度和高度两种特征参数值连续变化的3类微观Petri网演化模型。根据航空器特征参数值转化的4种不同形式并基于航空器全飞行剖面的混杂运行特性,运用微分Petri网理论,定义了航空器的4种演化模式,通过组合各种演化模式得到了3种航空器基本演化模型。在满足航空器性能约束的前提下,通过设定10个航段及15个高度和速度预设值,得到了全飞行剖面下各特征参数的演化图。结果表明,所设计的演化模型增强了航迹预测模型的通用性,能够反映航空器在水平剖面和垂直剖面内的状态变化。     

绕月自由返回飞行任务的轨道设计方法

针对绕月自由返回飞行提出一种任务轨道设计方法。在双二体模型下基于圆锥曲线拼接和能量匹配原则迭代计算初值,采用Broyden法构造新的微分修正格式,在精确模型下分别针对三组不同的目标变量和目标值对初值进行逐级修正使之满足再入参数。采用简单迭代调整近地点时刻、飞行时间完成发射弹道拼接和落点位置匹配,迭代初值根据落点纬度插值确定,插值表通过对若干飞行时间进行初值计算和发射弹道拼接构造。算例表明,该流程能够扩展初值计算的适用范围,具有良好的收敛性和计算效率。     

伪谱法在飞行器轨迹优化中应用分析

伪谱法作为一种在飞行器轨迹优化领域广泛应用的方法,国内外缺乏对其进行综合研究分析的相关文献。介绍了伪谱法在飞行器轨迹优化领域的发展现状,详细分析了已应用于飞行器轨迹优化的4种伪谱法的特点和应用情况,总结了这4种方法优缺点:Legendre伪谱法研究较早、应用最为广泛,Gauss伪谱法和Radau伪谱法精度较高,而Chebyshev伪谱法理论上精度高但研究刚起步。伪谱法具有全局特性,计算精度高,收敛快,但也存在缺乏收敛解判定准则、难以处理非光滑问题等不足。介绍了伪谱法在处理bang-bang控制问题时所遇到的困难,对伪谱法的改进工作做出总结:改进算法,研究与其他算法相结合的优化方法。总体而言,伪谱法在轨迹优化问题上的应用前景很广。     

高超声速滑翔飞行器再入段制导方法综述

针对高超声速滑翔飞行器再入飞行段,回顾了制导技术的发展历程和研究现状。建立了高超声速滑翔飞行器运动模型,并分析了再入段的路径约束、终端约束和地理约束。将再入制导方法分为三类：标准轨迹制导方法、预测-校正制导方法、混合制导方法,分别对研究现状进行了综述。然后,专门针对侧向平面制导方法进行了讨论和分类,根据飞行任务不同分为了常规约束的制导问题与附加地理约束的制导问题两类。最后,对再入制导方法进行了总结,并结合未来高超声速滑翔飞行器的任务需求,展望了再入制导技术的发展方向。     

航行器低速斜入水运动规律

针对介质跨越航行器控制困难的问题,提出一种空中控制水下非控的单一控制策略;为了分析航行器非控状态下斜入水运动的规律,构建了航行器低速入水动力学模型,并分别使用数值仿真方法和理论模型求解方法进行同一条件下的航行体入水运动仿真,通过对2种方法的仿真结果对比验证本文所构建航行体斜入水动力学模型的正确性。利用构建的入水动力学模型,分别对不同初始速度、角度、攻角条件下的入水过程进行了运动状态仿真并分析,得出了航行体在入水运动过程中的姿态位置变化规律。此入水规律将指导介质跨越航行器后续的水下航行、进而出水的一系列研究。      

基于间接Radau伪谱法的滑翔段轨迹跟踪制导律

针对高超声速飞行器滑翔段制导问题,提出一种利用间接Radau伪谱法求解最优反馈控制律的全状态标称轨迹跟踪制导律。将标称轨迹跟踪问题转化为线性时变系统状态调节器问题,基于Pontryagin极大值原理进一步将状态调节器问题转化为线性两点边值问题;利用间接Radau伪谱法求解所得的线性两点边值问题,获得最优反馈控制律,并在此基础上设计了易于在线执行的闭环轨迹跟踪制导律。数值仿真结果表明,该制导律对飞行器初始状态量的较大范围偏差和飞行环境参数的有限扰动不敏感,具有良好的鲁棒性,并且能够满足实时性的需求。