基于准平衡滑翔的解析再入制导方法

针对高超声速滑翔飞行器再入制导问题,提出了一种基于准平衡滑翔的解析制导方法。在纵向基于准平衡滑翔条件建立再入航程与能量、倾侧角的解析关系,得到了倾侧角解析解,并通过高度变化率反馈使轨迹平滑;针对终端高度约束,在准平衡滑翔条件下得到常值航迹角假设,从而建立终端高度与再入航程、航迹角的解析关系,得到了航迹角指令,并通过设计反馈控制律得到攻角解析解。对于过程约束,提出了一种基于航迹角指令的在线约束控制方法。侧向制导采用航向角走廊确定倾侧角符号。仿真结果表明,该制导方法计算速度快、制导精度高、扰动条件下鲁棒性较强。     

一种基于解析规划的多约束再入制导算法

提出了一种基于H-V剖面的亚轨道飞行器再入制导方法。将再入轨迹分为初始下降段和过渡段分别进行规划,初始下降段采用常值倾侧角飞行,过渡段则采用四次解析多项式进行描述,满足再入走廊约束和能量管理(TAEM)初始条件的同时提高再入轨迹在线规划速度;通过反馈线性化方法设计自适应控制律跟踪标准剖面,同时根据航向误差走廊确定滚转方向,从而完成纵向和侧向的联合设计。仿真结果表明,该制导方法对初始状态偏差和参数不确定性具有较强的鲁棒性。     

滑翔式飞行器再入弹道设计

针对滑翔式飞行器的弹道特征,提出了一种方案弹道设计方法,将整个再入弹道分为下降段、滑翔段和末制导段,通过简化的控制指令实现下降段和末制导段弹道,并通过"H-V曲线设计+弹道跟踪"的方法来实现滑翔段的弹道设计,根据侧向运动要求调整侧倾角的变号时机,迭代得到完整的再入基准轨道。最后的算例表明,该方法能快速得到一条针对某一飞行任务的再入弹道。     

基于拟平衡滑翔的再入轨迹快速规划方法

针对高超声速飞行器多约束条件下的再入轨迹规划问题,提出了一种基于拟平衡滑翔条件的三维再入轨迹快速规划方法;该方法充分利用滑翔式高超声速飞行器的再入飞行过程中的拟平衡滑翔条件,将过程约束转化为对倾侧角的约束;纵向轨迹规划采用直接规划倾侧角的方法,在倾侧角约束空间中利用内插的方法得到倾侧角剖面;侧向规划采用横程约束走廊确定倾侧角的反转时刻;最后,对该轨迹规划方法进行了算例分析,结果表明：该轨迹规划方法能够在满足各种过程约束和终端约束的情况下快速完成再入轨迹规划。     

基于倾侧角反馈控制的预测校正再入制导方法

针对升力式高超声速飞行器再入滑翔制导问题,提出了一种基于倾侧角反馈控制的预测校正制导方法。该算法不依赖于传统的准平衡滑翔条件（QEGC）,能够抑制再入滑翔飞行过程中产生的周期性轨迹震荡现象。纵向制导采用落点预测与指令校正相结合的方法,通过设计倾侧角反馈控制律对飞行器的高度变化率进行实时修正;侧向制导兼顾考虑横程误差和航向角误差对制导指令的影响,设计了一种基于归一化误差走廊的倾侧角反转逻辑,实现了飞行器的侧向运动控制。CAV-H高超声速飞行器制导仿真实例表明, 该制导方法有效地抑制了再入滑翔轨迹的周期性震荡,导引飞行器完成平稳再入飞行。Monte Carlo仿真验证表明,在多种扰动和误差存在的情况下,该制导方法具有良好的鲁棒性。     

基于粒子群优化的再入可达区计算方法研究

针对升力式高超声速飞行器再入可达区计算问题,提出了一种粒子群优化（PSO）和倾侧角反转相结合的混合求解方案。为了减小待优化变量的搜寻空间,设计了一种参数化的倾侧角剖面,利用约束PSO算法求解满足再入过程约束和末端约束的最优滑翔轨迹。通过倾侧角正向和逆向反转逻辑直接生成倾侧角指令集合,进而实现高超声速飞行器再入可达区的快速估算。高升阻比再入滑翔飞行器CAV-H仿真实例表明,该混合优化求解方案易于实现且无需预估参数初值,具有良好的可操作性。     

基于自适应神经模糊系统的高超声速飞行器再入预测制导

针对高超声速飞行器再入运动过程模型的非线性特性,提出了一种基于自适应神经模糊系统(ANFIS)的再入预测校正制导方法。在以能量为自变量的三自由度再入方程的基础上分别设计了纵向制导律和侧向制导律。以能量和剩余航程偏差为输入参数,侧倾角调节量为输出参数,设计了ANFIS控制器,并将其应用于纵向制导。侧向制导基于横程与能量的近似线性关系,设计了由分段漏斗形横程走廊控制的侧倾角反转逻辑。仿真结果表明,所设计的制导律具有制导指令解算速度快,制导和落点精度高且对再入初始偏差及过程扰动不敏感的优点。     

基于动压剖面的再入弹道解析解

针对升力体飞行器滑翔再入的飞行特点,提出基于动压剖面的再入弹道解析方法.首先,推导基于动压和高度历程的质点动力学方程,并给出已知动压剖面求弹道的解析算法.其次,根据飞行任务把滑翔再入过程分成初始下滑段和准平衡滑翔段,通过动压规划设计准平衡滑翔段弹道.最后仿真表明基于动压剖面的弹道设计方法能满足滑翔再入的飞行任务和飞行约束.     

基于准平衡滑翔的再入轨迹解析规划方法

针对禁飞区等多约束条件下的再入轨迹规划问题,提出了一种基于准平衡滑翔的再入轨迹规划解析方法。纵向剖面规划中,基于准平衡滑翔条件,以航程为自变量构建了相关弹道参数(如高度、速度、阻力加速度、攻角和倾侧角等)的解析表达式,建立了高度-航程空间内的多约束飞行走廊。横向剖面规划中,采用一种基于横、纵程多次函数的解析规划方法,有效解决了对禁飞区的规避问题。上述算法将复杂的多约束再入轨迹规划问题转化为简单的解析求解,极大提高了轨迹规划速度和可靠性。基于CAV-H的仿真算例表明,提出的轨迹规划算法运行速度快,规划结果平滑,精度高,逻辑简单且易于工程实现。     

高超声速飞行器的解析式滑翔制导方法

针对高超声速飞行器的在线制导问题,提出了一种解析式滑翔制导方法。首先,基于常值速度倾角的假设,得到可同时满足终端高度约束和终端航程要求的速度倾角的解析解,进而得到所需要的升力纵向分量;其次,基于常值阻力加速度的假设,得到可同时满足终端高度约束和终端速度约束的阻力加速度的解析解;最后,可得到攻角和倾侧角的控制指令(倾侧角符号由横向误差走廊确定)。仿真结果表明,该方法的制导精度符合要求。     

带落角约束的高超声速飞行器轨迹仿真研究

针对某高超声速飞行器末制导段攻角非负及大落角约束要求,提出"BTT180控制方法+具有落角约束的最优制导"组合制导方式。在末制导初始段,采用BTT180控制方式实现飞行器的翻身下压,解决了攻角非负的约束要求;选择具有角速率反馈形式的最优制导律,实现攻击末端大落角的约束要求。对不同初始高度和约束落角以及垂直攻击时不同初始弹道倾角下的飞行轨迹进行仿真分析,结果表明该组合制导方式使飞行器在命中目标的同时,满足攻角非负及落角约束要求,验证了该制导律的有效性和准确性。     

可重复使用运载器滑翔段轨迹快速优化方法

针对滑翔段轨迹多约束、强耦合、高非线性等特点,设计了一种全新的纵向飞行剖面,实现了终端约束和拟平衡滑翔条件的自动满足,并将滑翔段轨迹优化问题转化为一个双参数寻优问题。同时考虑倾侧角大小及其变化率约束,对侧向轨迹进行了设计。最后,设计了一种改进粒子群优化算法,通过外点法对约束条件进行处理,并提出一种变异策略对种群多样性进行准确控制,避免粒子陷入局部最优。仿真结果表明,该优化方法能够快速生成满足所有约束条件的最优滑翔轨迹;对于航程超过3000 km的场景,轨迹优化平均时间仅为5.94 s,最大终端相对误差不超过1%。     

故障下高超声速飞行器再入在线轨迹重构

基于改进的网格细化技术和最优反馈控制思想,研究了高超声速飞行器再入段发生执行器故障的在线轨迹重构问题。标称情况下,利用改进的网格细化技术计算满足再入过程约束和终端约束的离线最优轨迹,为故障下在线轨迹重构提供初值猜测值;执行器发生故障后,标称轨迹已经不能满足制导要求,此时针对不同故障下改变的气动系数和再入约束条件,在线生成可行的再入轨迹,并实时反馈更新制导指令。通过采取一系列策略,满足故障下在线轨迹重构的实时性要求。以X-33飞行器为对象的仿真结果表明,执行器故障下在线生成的轨迹满足再入飞行约束和实时性要求,使高超声速飞行器可以安全的与着陆段交班,提高了飞行器的安全性和可靠性。     

带终端高度约束的再入预测校正制导

针对高超声速飞行器再入制导问题,提出了一种基于倾侧角剖面并能严格约束终端高度的预测校正制导方法。首先分析了倾侧角剖面对终端航程、高度的影响,指出终端航程与高度可能存在的不匹配问题。针对传统算法仅能保证终端航程、能量约束的问题,设计了一种分段线性倾侧角剖面。通过合理地设计倾侧角剖面初始、终端值保证了高度约束,并以航程误差预测校正倾侧角剖面保证航程约束。侧向制导通过航向角走廊确定倾侧角符号。仿真结果验证了该算法对于解决终端航程与高度约束不匹配问题的有效性。     

滑翔飞行器再入段弹道特性分析

为解决滑翔飞行器再入段受力复杂、非线性约束条件多、弹道设计难度大的问题,对平衡滑翔条件下的 弹道解析关系进行分析。根据平衡滑翔的概念,通过简化的动力学微分方程,对滑翔飞行器再入段弹道影响因素进 行分析,联合大气指数模型,推导出平衡滑翔条件下的弹道初始参数与速度、射程以及高度的解析关系,并进行仿 真验证。仿真结果表明：更高的滑翔初速和最优的平衡滑翔初始入射角可以增加滑翔距离,不同高度再入时对射程 影响不大。     

再入滑翔飞行器滑翔段轨迹制导律设计与仿真

针对再入高超声速滑翔飞行器在滑翔段轨迹的制导律,结合平衡滑翔和跳跃滑翔两种典型飞行方式展开研究。根据纵向运动方程、气动力模型及大气模型建立了飞行器动力学模型。然后在平衡滑翔条件下,推导设计了平衡滑翔飞行的制导律;通过分析跳跃滑翔式制导律的特征,归纳设计了五种制导律,分别为固定攻角、最大升阻比、攻角为时间的线性函数、攻角为速度或时间的分段线性函数;再分析了确定性和不确定性多约束条件,并将不确定性约束条件进行了转化。最后分别在确定性和不确定性多约束条件下,通过数值仿真得到所设计的制导律的可行范围,验证了制导律设计的合理性。结果表明,制导律最优设计是攻角为时间或速度的分段线性函数。     

再入飞行器多约束预测-修正末导引律研究

为了保证再入飞行器以期望倾角和速度准确投放载荷,利用终端倾角约束下的滑模变结构控制进行实时弹道预测,通过速度修正指令实现飞行器的机动减速,以达到期望的投弹倾角和速度。分别计算了目标点位于13km和3km高度时的飞行轨迹及飞行参数。对仿真结果的对比分析表明:采用倾角约束导引律时,飞行器终端倾角满足期望的-30°,但是其终端速度分别为1 550m/s和1 450m/s,远高于期望的1 200m/s;采用倾角-速度多约束导引律时,终端倾角和速度均达到了期望水平,而且攻角、倾斜角以及各向过载均满足限制条件;多约束预测-修正导引律更有利于再入飞行器准确投放载荷。     

通用高速飞行器预测校正再入制导方法研究

给出一种适合通用高速飞行器（CAV）的预测校正再入制导方法。首先基于再入高速飞行器三自由度运动模型,研究了再入过程中CAV受到的过程约束。基于准平衡滑翔条件给出了在指定倾侧角下的参考航程的计算方法,并指出当飞行器的初始航程超过参考航程时,可以使用本文给出的方法有效抑制飞行器轨迹在高度上的振荡。为了提高制导精度,不仅给出了精确计算当前倾侧角的方法,也给出了粗略调整终端倾侧角方法。最后仿真验证了制导方法的有效性。     

基于轨迹优化的返回式滑翔飞行器最小航程影响因素分析

为使返回式滑翔飞行器实现最小航程,对最小航程影响因素进行了探讨,主要包括初始状态、终端终态、质量规模、约束条件等。以类CAV-H返回式滑翔飞行器为研究对象,建立了空间运动的坐标体系和运动学模型,给出了飞行约束体系,通过伪谱法和序列二次规划等方法进行轨迹优化。仿真结果表明:适中的初始高度有利于实现最小航程;为了实现最小航程,飞行器需要保持接近最大升阻比攻角去做三维空间机动飞行;适当减小初始速度能获得比较可观的最小航程;初始倾角可取小量负值,能在高效获得航程最小的同时兼顾热流密度;初始航向角适当偏离标称航向时,有利于获得最小航程;为了实现最小航程,在不同初始条件下需要合理地选择返回角/末端航向角;适中的滑翔终端高度有利于实现最小航程;适当增加或减轻飞行器质量有利于实现最小航程;放宽约束条件有利于最小航程的实现。通过基于轨迹优化的返回式滑翔飞行器最小航程影响因素分析,可以指导最小航程的设计与实现。     

基于坡度率的再入飞行器在线轨迹规划

为了实现再入飞行器轨迹快速生成,提出了一种在线轨迹规划方法。利用改进的拟平衡滑翔条件,提出了坡度率的概念。通过设计坡度率,可获得不同航程的纵平面弹道。为了加大航程的调节范围,在基于坡度率的纵向轨迹规划方法基础上,引入了倾侧角,同时规划坡度率和倾侧角可以获得较大范围的航程覆盖区。飞行器航程跟坡度率、倾侧角、初始航向误差角、飞行时间存在对应关系。离线计算若干条不同工况的轨迹并存盘,当给定新的目标点时,只需计算出目标点距离初始点的航程和目标视线角,通过插值得到所需的坡度率、倾侧角、航向误差角和飞行时间,然后利用轨迹积分,能够快速获得一条完整的三自由度轨迹。仿真表明,利用本文的方法,生成一条实际飞行时间2000 s的再入轨迹,只需要0.2 s左右,极大地提高了在线轨迹设计效率。