高超飞行器平滑再入倾侧角优化设计

针对高超声速飞行器准平衡滑翔再入问题,根据再入约束特点,分别把初始段和准平滑段的过程约束转化成为倾侧角约束,并对其交接班问题进行了讨论;在倾侧角约束范围内,设计了倾侧角文件,降低了问题的维数,提高了寻优速度;分别以最大纵程与最小总气动加热为性能指标利用罚函数处理,终端约束,将再入约束问题转化为无约束问题;采用遗传算法寻猜测值、模式搜索法求精确解的方式,提高了寻优精度。仿真结果显示,利用本文设计的倾侧角文件规划出的轨迹,能够很好的满足再入过程中的各项约束,且再入轨迹平稳,可为再入轨迹和覆盖区的研究提供参考借鉴。     

基于EM-EKF算法的RLV再入段气动参数辨识

可重复使用运载器(RLV)再入返回段的气动参数表现为不确定和快时变的特点,导致RLV气动特性具有强耦合性和非线性,使气动模型难以设计和控制,降低了飞行器的稳定性.在系统噪声存在的前提下,针对RLV的动力学模型,提出一种由最大期望(EM)算法和扩展卡尔曼滤波(EKF)算法相结合的RLV再入段气动参数辨识方法,以飞行高度和攻角为基准,每10 km一个区间将RLV再入段划分为3个飞行阶段,并分别进行了气动参数辨识.首先,将RLV飞行器再入段的动力学模型转换为非线性系统的状态空间模型;其次,基于状态空间模型,将飞行器的原始状态向量进行扩维,得到由待辨识气动参数和原始状态向量组成的新扩维状态向量;然后,采用EKF算法对RLV气动模型的扩维状态向量进行辨识,达到滤除噪声和估计未知气动参数的目的;之后,为了降低测量和过程噪声统计特性的设置对EKF辨识结果带来的影响,在EKF算法前向滤波和Rauch-Tung-Striebel(RTS)后向平滑过程的基础上,采用EM算法对EKF的测量和过程噪声的先验统计数据进行估计,基于估计所得到的精确噪声特性,能够更好地提高EKF算法对气动参数估计的精度;最后,通过基于EM-EKF算法与极大似然方法的气动参数辨识值对各种气动系数影响的仿真对比,验证了EM-EKF结合辨识算法的准确性.     

基于虚拟目标导引的再入飞行器禁飞区规避制导方法研究

针对飞行器再入过程中面临的禁飞区规避问题,提出了一种基于虚拟目标导引的规避制导方法.该制导方法在对飞行器机动转弯能力分析的基础上,结合Dubins曲线路径规划方法与比例导引方法实时跟踪虚拟目标,实现飞行器对禁飞区的规避制导.为修正规避引起的误差、满足再入终端约束,通过建立基于能量的运动模型,结合平衡滑翔条件,进行航程及高度的解析预测-校正控制.仿真结果表明,该制导方法能够有效实现飞行器的禁飞区规避,且满足再入过程与终端约束,具有较强的适应性及鲁棒性.     

滑翔式飞行器高空自适应跟踪制导控制方法

针对具有较大机动能力的滑翔式高超声速飞行器在复杂高空环境再入的问题,提出了一种基于LQR （线性二次调节器）的多状态自适应跟踪制导方法.该方法基于飞行器量纲一化的再入运动模型,考虑滑翔式飞行器各特征参数和飞行约束设计出基本安全飞行走廊,用拟合法将标准弹道综合成航程-高度-速度-航迹角函数.然后设计了基于LQR的多状态跟踪制导律,并采用多项式拟合法实现全弹道制导律的增益调度函数;形成了一套完整的滑翔式飞行器再入过程基于标准轨道的多状态LQR制导方案设计.并通过仿真计算,验证了该制导方法,表明该方法是有效、高精度的飞行器高空自适应跟踪制导方法.      

可重复使用飞行器末端能量管理段自适应制导方法

末端能量管理段连接再入段和自动着陆段,在可重复使用飞行器返回再入及水平着陆过程中至关重要。本文通过跟踪在线地面轨迹对可重复使用飞行器进行制导研究,设计具有自适应性的制导方案,并通过仿真验证该方案的有效性和鲁棒性。     

RLV末端能量管理段制导与控制系统定量性能评估方法研究

针对可重复使用运载器(RLV)末端能量管理过程中制导与控制系统的性能好坏,提出了一种基于评价指标体系的定量评估方法.讨论了飞行器末端能量管理过程中主要影响指标,介绍了指标值的获取方法、归一化处理方法以及利用AHP层次分析法和熵值法相结合的主客观结合赋权法获得指标权重的过程并以此为基础构建了自上而下分别为目标层、准则层、指标层的末端能量管理段评估指标体系结构,最后通过仿真完成定量评估过程.所提出的方法可成功应用于可重复使用运载器末端能量管理段制导与控制系统的性能评估,显著缩小飞行器验证时间和成本.     

基于在线模型辨识的飞行器多约束复合制导技术

针对飞行器再入制导问题,该文引入控制变量参数化、积分问题转换和在线模型辨识等技术,提出一种跨周期迭代的可行轨迹预测校正算法,并结合标称轨迹跟踪算法形成一套多约束复合制导方案。利用一种复合高度-速度(height velocity,HV)飞行走廊,将再入轨迹规划问题简化为单调函数寻根问题。为提高射程预测计算效率,引入Gauss-Legendre求积公式,将积分问题转化为函数计算问题。采用递推最小二乘估计方法,收集历史预测信息,实现模型在线辨识功能,并采用跨周期Newton-Raphson方法完成高度权重系数的在线修正。在标称轨迹跟踪器设计的基础上,开展飞行器数值仿真试验,结果表明:基于在线模型辨识的复合制导方法具有显著的速度优势,且具有优异的自主性和自适应能力。     

计算再入飞行器可达区域的快速算法

以无量纲反值能量为自变量建立了飞行器3自由度运动方程组,提出了一种改进的计算再入飞行器可达区域的快速算法.引入倾侧角反向策略,使计算的可达区域更精确;改进产生可达区域中间边界的插值方式,使计算结果更加均匀;改进了终端约束处理方法,使弹道更加平滑.以一种乘波体模型为例进行仿真验证,仿真结果表明改进算法计算的可达区域比现有算法更精确且弹道更平滑.     

高超声速再入滑翔飞行器的模糊变结构控制

针对高超声速再入滑翔飞行器的再入姿态控制,设计了模糊变结构姿态控制器.根据控制系统的任务,建立了面向控制的模型.将模糊控制与滑模变结构控制的思想相融合,研究了模糊滑模变结构控制器的设计方法.通过在稳定的误差相平面内构造稳定的滑模面,模糊控制器根据误差状态与滑模面的相对位置输出控制信号,使得系统的轨迹能趋近稳定的滑模面,从而使得误差沿着滑模面收敛到原点.将模糊滑模变结构控制方法应用于高超声速滑翔洲际飞行器,给出了再入滑翔姿态控制器的设计方案,分别对攻角、侧滑角和倾侧角设计了独立的模糊变结构控制器,提出了分段线性控制分配方法.在Matlab中进行了整个控制系统的仿真测试,验证了该方法的可行性.     

带碰撞角约束的高速飞行器小速度比交会制导律

针对目标飞行器速度较大引起的拦截器与目标速度比小于1的空间交会问题,建立拦截器与目标交会的三维运动模型,分析共面运动的碰撞角对相对速度及有效碰撞面积的影响并讨论交会的速度比条件. 基于初始预测的目标速度信息,根据准平行接近原则将碰撞角约束转化为交会过程中的视线角约束,应用变结构控制设计带视线角约束的三维制导律并分析其稳定性. 结果显示,设计的制导律不仅使视线角速率逼近于0,还可以实现以期望的碰撞角实施交会,并且对预测的目标速度偏差具有较强的鲁棒性.      

基于区间算法的航天器再入轨迹优化

区间算法是近年来出现的一种新的全局优化算法,本文将其引入到再入轨迹优化中来。首先建立了航天器再入区间模型,选取总加热量最小为性能指标,控制量则选为功角和滚转角;然后讨论了区间算法在再入轨迹优化中的可行性以及优势;其次根据该算法的特点,构建了待优控制量功角、滚转角的区间解析表达式,以及给出了约束条件的处理方法;最后分析并解决了该算法在再入轨迹优化中应用的其余关键问题。仿真结果表明,该算法能够保证在再入轨迹优化中找到全局最优解,相比于其他优化算法具有某些优势。     

利用高斯伪谱法求解升力航天器最优再入轨迹

为了获得升力式航天器再入大气后的飞行轨迹,利用高斯伪谱法求解了同时满足路径约束和终端约束条件下的总吸热量最小再入轨迹。其中,路径约束包括驻点热流峰值约束和最大动压约束;终端约束为高度和位置。选取优化控制变量为迎角和倾斜角。仿真结果表明,高斯伪谱法能够快速优化出满足以上优化性能指标和约束条件的再入轨迹。最后,通过对哈密尔顿函数的分析给出了最优性验证。     

中继法解决再入航天器通信黑障问题优化研究

中继法是目前解决航天器再入通信黑障问题的一种可行方案,建立了背风面等离子鞘套模型,分析航天器再入俯仰角对信号在鞘套中的传输影响,并在航天器再入初始俯仰角下对比了S频段和Ka频段信号在背风面等离子鞘套的传输情况。结果表明:俯仰角越大,信号电磁波在等离子鞘套中的衰减越小;相同俯仰角下Ka频段传输性能明显优越于S频段信号,Ka频段信号相比于S频段信号,在背风面的透射率至少提高55%、衰减值至少降低33.69 dB,建议选用Ka频段信号作为中继卫星与再入航天器之间的通信频段并提出中继优化方案,为进一步解决航天器再入过程中的通信黑障问题提供思路。     

满足视场约束的交会对接-V-bar撤离控制算法

研究了考虑测量视场和撤离安全距离约束的-V-bar撤离制导控制算法.本文建立了视场角约束分析模型,基于Clohessy-Wiltshire二脉冲交会算法.引入了脉冲加权因子.给出了考虑视场角和安全距离约束的多脉冲Clohessy-Wiltshire撤离制导控制算法.本文分析了脉冲加权因子对脉冲次数、机动时间和燃料消耗的影响.并通过一个算例验证了算法的有效性.仿真结果表明.该制导算法能很好地满足约束;机动脉冲次数和机动时间都随着加权因子的增大而减小.而总速度增量与加权因子之间不具有明显关系.     

库水位循环下岸坡-桥梁桩基相互作用致损机理

库水位循环作用下，库岸边坡岩土体物理力学性质劣化，引起岸坡变形、滑移，将对桥梁基础、桥墩及上部结构产生不同程度损伤，甚至会导致桥梁上部结构落梁、垮塌。针对重庆万州长江二桥库岸边坡失稳致灾问题，采用FEM-SPH(finite element method-smoothed particle hydrodynamics)转换耦合算法建立了岸坡-桥梁三维有限元模型，结合桥位处地质勘测数据模拟了变动水位条件下岸坡变形、滑移、失稳全过程，揭示了岸坡滑移与桥梁桩基相互作用机理，研究了桥墩偏位规律及下部结构失效模式。结果表明：以滑动带有限元网格悉数转换为SPH(smoothed particle hydrodynamics)粒子作为岸坡失稳判据，FEM-SPH转换耦合算法能够更直观、准确地模拟库岸边坡从变形、滑移至失稳全过程；桥位处岸坡将在第16、20次水位升降循环过程中发生失稳破坏；随着岸坡变形、滑移、失稳演化，桥墩偏位呈“缓增-激增”的变化趋势；岸坡发生第2次失稳时，桩基础在土-岩交界面上部发生剪切破坏，破坏面与水平面夹角约为60°。     

Helmholtz方程边值问题奇异解的间断有限元数值方法

考虑Helmholtz方程一类边值问题奇异解的数值方法。解在边界上的奇异性来源于区域边界的角点或者混合边值问题在边界上的临界点。对这两类问题,在奇异点附近引入人工边界,利用局部齐次边界条件导出该人工边界上的一个精确的DtN边界条件,进而在奇点外围的区域上求解此边值问题。对此问题,用间断有限元求解,该方法的优点是允许网格剖分出现悬点,比经典有限元更适合自适应计算。数值结果表明算法对求解近似区域上的问题是有效的。     

亚轨道飞行器上升段轨迹快速生成方法研究

亚轨道飞行器飞行任务的主要特点是任务多样,任务时间间隔短。因此快速生成最优轨迹对保障亚轨道飞行器任务的完成至关重要。针对传统上升轨迹设计方法中存在的时间花销大、任务适应性较差等问题,基于最优控制理论对亚轨道飞行器上升段轨迹生成方法进行了研究。以上升段燃料消耗量最少作为性能指标,选取攻角、侧滑角和倾斜角作为控制变量求解最优性条件。采用经典的有限差分法将状态和伴随状态表示的两点边值常微分方程问题转化为非线性方程组,并使用改进型牛顿法求根。最后通过仿真分析,验证了给出的轨迹生成方法的快速性。     

基于轮胎侧偏刚度变化率的车辆质心侧偏角融合估计算法

针对车辆在高速紧急避让工况下质心侧偏角难以直接测量的问题,提出一种基于轮胎侧偏刚度变化率的质心侧偏角融合估计算法。在车辆二自由度动力学模型的基础上,提出一种轮胎侧偏刚度估计方法,构建基于改进扩展卡尔曼滤波的质心侧偏角估计算法。根据质心侧偏角和车辆纵向、侧向加速度的关系,构建基于积分法的质心侧偏角估计算法;结合两种估计算法的特点,采用轮胎侧偏刚度的一阶微分表征车辆的非线性程度,设计了一种适用于不同车辆动态特性及路面条件的融合估计算法。Carsim/Simulink联合仿真结果表明,该融合估计算法在不同的车辆动态特性和不同路面条件下具有良好的估计精度和实时性,对传感器信号的噪声、误差鲁棒性强。