临近空间飞行器再入制导可视化仿真

在临近空间飞行器再入制导系统研制过程中,需要通过可视化仿真对飞行器再入制导系统进行验证、分析及演示。给出再入飞行的假设条件,建立飞行器再入质心动力学及运动学模型。在此基础上,给出一种基于Matlab与卫星仿真工具包(Satellite Tool Kit-STK)交互的再入制导可视化仿真方案,给出再入飞行数据的输入格式定义。针对给定的临近空间飞行器及假定的再入任务,对再入制导进行可视化仿真,得到相应的可视化仿真结果,对结果进行说明。     

临近空间无人飞行器再入轨迹快速优化及跟踪

为适应临近空间无人飞行器再入返回时高动态、强约束的特点,提出了一种轨迹快速优化方法:将再入参考轨迹优化问题转化为多维非线性规划问题,并通过SQP方法求解.轨迹优化时将参考阻力加速度曲线表示成能量的分段线性函数,并通过推导得到航程预测和总吸热量的解析表达式,避免了传统优化过程中的积分计算,提高了优化速度.轨迹跟踪时采用反馈线性化方法得到制导律,并借助轨迹在线更新技术补偿跟踪误差,使得制导精度大大提高.     

空天飞行器再入过程姿态预测控制律设计

针对一类多输入多输出非线性系统,设计了一种基于SDRE(state-dependent Riccati equation)的预测控制方法,并应用于空天飞行器再入过程的姿态控制律设计。SDRE是一种有效的非线性系统优化控制设计方法,利用SDRE的局部渐进稳定的特点,与有限时间预测控制律设计相结合,提出的控制方案保证闭环系统的稳定性。最后利用所提出的控制方案设计了空天飞行器飞行控制系统,并在高超声速条件下进行了仿真验证。仿真结果表明了控制方案的有效性。     

基于强跟踪滤波器的再入飞行器制导律设计

研究了气动模型存在误差情况下高超声速再入机动飞行器的制导律设计问题。首先用强跟踪滤波器对气动参数进行估计,然后根据估计值与标称值的偏差对攻角和倾斜角进行修正,最后对原始非线性方程沿着标称轨道线性化得到线性偏差方程,并利用线性二次型最优调节器原理设计控制律。仿真结果表明所设计的制导律可以大幅度减小由于气动模型误差而引起的落点偏差。     

高动态无人飞行器再入段GNC系统关键技术研究

临近空间高动态无人飞行器能够远程机动飞行,具有深远的战略意义,世界各军事大国对高动态无人飞行器的研究开展已久.再入段是高动态无人飞行器飞行的重要阶段,对飞行器的"神经中枢"--制导、导航与控制系统(guidance,navigation and control system,GNC)提出了严格的要求.分析了高动态无人飞行器在临近空间再入段飞行时GNC系统的体系结构、信息传递关系以及各子系统的任务功能,提出了再入过程中GNC系统的部分关键技术.     

高超声速飞行器再入段的动力学建模与仿真

高超声速飞行器的动力学建模对于进行控制系统的设计和仿真来说是非常重要的.与传统的飞行器相比,由于其飞行的速度和高度跨度大、变化快,高超声速飞行器的飞行动力学特性相当复杂.为了研究高超声速飞行器的一些本质的动力学特性,选择再入段进行分析,建立了再入段的高超声速动力学模型.利用风洞实验数据,建立了空气动力学数据库,并且对模型进行了不确定性分析.在模型的基础上,讨论了高超声速飞行器再入段的控制系统的设计方法.最后,在MATLAB/SIMULNK中进行了控制系统仿真,仿真结果表明在60公里到着陆点控制系统能够很好地控制动力学模型跟踪制导指令.     

再入机动飞行器最优轨迹设计与跟踪

提出了一种再入机动飞行器（maneuvering reentry vehicle, MRV）的最优制导与控制方案。针对MRV再入机动轨迹优化问题,提出了新的基于Gauss伪谱优化方法的分段优化策略;由产生的最优参考轨迹,生成系统的外环最优制导指令。接着利用轨迹线性化控制（trajectory linearization control, TLC）方法设计系统的内环控制律。基于MRV完整的非线性六自由度模型,仿真表明提出的再入轨迹优化设计方法是有效的,而且内环TLC控制器可以准确地跟踪外环的最优制导指令和最优轨迹,并对系统未建模特性和参数不确定性具有一定的鲁棒性能。     

一类新型飞行器复合控制研究

首次推导了基于质量控制和推力矢量控制的一类无尾无舵翼碟形飞行器的空间六自由度运动动力学方程。以纵向运动为例，对模型进行了合理的简化，进行了稳定性分析和控制器设计，给出了不同控制的仿真曲线。最后进行了飞行仿真研究，给出了六自由度飞行轨迹仿真曲线，证明了控制器设计的有效性，为深入探讨质量，推力矢量复合控制奠定了基础。     

临近空间高超声速飞行器匹配化滑模姿态控制

针对临近空间高超声速飞行器非匹配不确定性姿态控制问题,提出一种新型匹配化滑模姿态控制系统设计方法。首先将含有非匹配不确定性的模型进行匹配化变换,得到匹配的不确定性模型。采用扩张干扰观测器估计不确定项,用来补偿系统输出量的微分。其次,基于干扰观测器及频域滤波器设计了一种渐近收敛的复合微分器,用来获取系统输出的一阶导数。在此基础上,采用变结构控制方法,提出了一种匹配化滑模姿态控制方法。最后,通过数字仿真验证了该方法的有效性,并与反步法进行了对比,对比结果表明本文的方法具有更好的快速性及鲁棒性。     

高速再入飞行器的鲁棒自动驾驶仪设计

针对高速再入飞行器的自动驾驶仪设计问题,基于鲁棒参数化方法,采用特征结构配置和模型参考跟踪理论设计BTT飞行器姿态控制系统的鲁棒控制器,完成对于制导信号的快速跟踪。本设计的鲁棒镇定器是一个不随滚动角速度变化也无需切换的定常反馈镇定律,结构简单,便于工程实现。通过分析高速再入飞行器的特点,给出了简单可行的控制方案。将所设计的控制器应用于飞行器非线性模型进行了六自由度仿真试验。仿真时考虑了系统执行机构的时滞和饱和特性。仿真结果验证了所设计的控制器的有效性。     

临近空间高超声速飞行器机动模型及弹道预测

讨论了临近空间轴对称高超声速机动飞行器的跟踪及弹道预测问题。通过引入3个与气动力参数相关的状态变量,建立起一种非线性机动模型,并证明了基于该模型的非线性跟踪系统的可观性。针对此非线性跟踪系统,设计了扩展卡尔曼滤波器以及状态预报器,实现弹道跟踪和预测。仿真结果表明,对于临近空间飞行器在巡航末段的运动状态,采用所提出的机动模型,可以取得优良的跟踪和预测效果。     

气动/推力矢量飞行器分阶段复合控制分配策略设计

以气动/燃气舵推力矢量复合控制反坦克导弹为研究对象,研究了不同飞行阶段下的气动/推力矢量复合控制分配策略问题。通过分析气动舵和燃气舵控制效率受导弹飞行速度变化的影响,并结合不同飞行阶段的飞行任务和特点,分别基于模糊逻辑以及链式递增理论,设计了适用于初始飞行段和末制导段的复合控制分配策略。仿真结果表明,设计的两种策略均保证了复合控制系统具有较快的响应速度和良好的控制精度,同时缩短了燃气舵的工作时间,减少了推力损失。     

飞行器导引律综述

对飞行器追踪拦截导引律方法、特点及其发展进行了研究与总结,包括比例导引律、最优导引律、微分对策导引律以及基于现代控制理论设计的导引律,可为今后飞行器导引律的改进和设计提供参考。     

RLV再入初期连续滑模姿态控制律设计及仿真

给出了一种可重复使用航天器(RLV)再入初期鲁棒姿态控制方法。在给定可用姿态指令和摄动、干扰的上界条件下,基于内外双回路连续滑模控制方法,得到了在系统摄动和干扰存在的情况下拥有高精度、鲁棒性和良好动态响应品质的姿态角跟踪结果。滑模控制抖振抑制利用李亚普诺夫方法,构造滑模状态观测器,并依据自适应增益调节思想,有效地抑制了控制抖振,减少了推进器的开关次数,保证了工程实际应用的能力。以某型RLV为例,在精确的仿真模型基础上,通过不同的控制律设计方法仿真结果对比表明,该方法有效、可靠。     

碟式飞行器复合控制中的控制分配策略

针对碟式飞行器复合控制中的控制分配问题,提出了两种控制分配策略:基于误差的非线性分配策略和基于能量的最优分配策略。这两种分配策略的设计和控制律设计相分离,控制律确定总的控制量,分配由单独的环节实现。仿真表明,不考虑控制量受限时,这两种设计实现了变质量矩控制和推力矢量控制的优势互补,达到了良好的控制性能;考虑控制量受限时,相对于非线性分配策略,最优分配策略避免了控制量受限的影响。     

跟踪再入飞行器的相控阵遥测系统

美国空军正在研制一种相控阵遥测系统,用以收集射向大西洋和太平洋的MX和三叉朝再入飞行器的试验数据。从Wright-patterson空军基地起飞执行任务的八架EC-135N高级测距飞机中的四架将安装相     

大气环境中的亚轨道飞行器再入轨迹仿真

针对亚轨道再入飞行器的高精度轨迹仿真问题,采用了国际上最新的NRLMISISE00大气模式、HWM93水平风场建立了大气参数模拟系统,比较分析了不同模式下影响飞行器运动特性的各种大气参数的区别;利用查普曼公式建立了大气环境中亚轨道再入飞行器的运动方程;结合美国X-33演示验证实验样机,仿真分析了各种大气参数对亚轨道再入飞行器运动参数的影响.研究表明,大气环境对于再入飞行器的影响不容忽略,在实际应用中应该根据具体的任务需求来选择合理的大气模型.     

单滑块变质心再入飞行器分岔特性

基于非线性动力学模型,给出了单滑块变质心再入飞行器的平衡点及其稳定性随滑块偏移距离的变化规律,得到了系统分岔图,并在此基础上求解了典型条件下各吸引子的吸引域。结果表明滑块偏移距离对再入飞行器的平衡点数量及稳定性具有明显的影响,同时初始飞行条件对飞行器的最终收敛状态也具有重要的影响,不合适的初始条件有可能导致飞行器被锁定在不期望的平衡点或极限环中,从而引起失速或失控等问题。此外,通过分析不同系统参数下的分岔图变化规律,总结了再入飞行器结构及气动参数对系统分岔特性的影响,进而为系统参数的设计提供了参考。     

RLV亚轨道再入段制导技术

重复使用运载器亚轨道再入段一般采用航天飞机应急返回发射场的飞行方案,分三个阶段：迎角恢复段、过载保持段和过渡段。该方案的难点是抑制动压,缺点是只有开环制导。分析了动压变化的影响因素,制订了抑制下沉率的制导策略,并给出迎角和过载指令的设计方法。其次分析初始状态偏差和气动升力/阻力系数偏差对动压的影响,提出了根据初始高度调整制导指令和根据下沉率进行过载指令补偿的闭环制导方案。仿真表明设计的轨迹能够满足飞行约束,闭环制导能有效减小最大动压偏差。