空天飞机再入GNC一体化建模与仿真方法

集建模、制导控制律设计与数学仿真分析于一体的建模与仿真平台是进行空天飞机再入制导导航与控制系统(Guidance,Navigation and Control,GNC)研究的有效手段。提出一种基于Matlab平台和STK软件的空天飞机再入GNC一体化建模与仿真平台方案。基于Matlab平台进行二次开发,建立空天飞机建模工具,开发制导控制律辅助设计工具和数学仿真程序,利用STK软件进行结果的可视化仿真,为空天飞机再入GNC系统研究提供有效的建模、设计与仿真分析工具。     

导弹释放舱的精度检验

再入体在分离释放时产生的速度变化和偏移角速率可当作整个导弹误差预估值的一部分。本文提出一种利用有限的飞行数据来检验再入体释放精度要求的方法。文中扼要地说明了点估计法,使用这种方法可从飞行试验数据求得速度变化和偏移角速率的单个样本估计量。除此还集中地讨论假设检验法。假设检验法是在综合各种现行统计法的基础发展起来的,专用于对各种要求的检验问题。     

弹道导弹再入散布

本文叙述了再入体弹着点散布的两个重要因素:截锥体边界层的转捩和凹陷鼻尖上的气流分离。文中对这两种现象产生的横向力增量和这些力对散布的影响进行了分析计算,并给出了减小由此造成散布的再入体的设计方法。     

利用高斯伪谱法求解具有最大横程的再入轨迹

为了使升力式飞行器再入大气层后取得最大横程,采用高斯伪谱方法求解最优再入轨迹。利用微分形式高斯伪谱方法将飞行器三自由度再入轨迹优化问题转化为非线性规划问题,选取高斯节点上的状态量和控制量作为待优化参数,并将最优性能指标选为横程最大,然后对再入轨迹进行了求解。通过与按最大升阻比飞行方案所得结果进行对比,表明按所提方法求取的再入轨迹优于后者。此外,仿真过程还说明高斯伪谱法对状态猜测值并不敏感,算法容易收敛,适用于轨迹优化问题的求解。     

基于伪谱方法的自适应鲁棒实时再入制导律研究

为了提高飞行器再入制导的鲁棒性和自适应性,将再入弹道跟踪问题转化为再入弹道状态调节问题,得到了一个LTV系统最优控制问题.在此基础上,利用基于伪谱算法的最优反馈控制算法,设计了一种便于在线实现的自适应鲁棒再入制导律.仿真结果表明,这种再入制导律对于再入点误差不敏感,具有良好的鲁棒陛.在气动参数模型存在较大误差的情况下,依然能够取得较高的再入制导精度.它不需要显示增益调度和积分,并且在不同情况下控制结构和参数无需改变.     

基于遗传算法的RLV再入轨迹优化设计

飞行器再入轨迹优化是一类最优控制问题。传统的优化方法存在初始值敏感问题。利用小生境技术和精英方法改进适应值共享拥挤遗传算法,并将其用于RLV再入轨迹优化设计。以终端时间固定的空间最小控制能量再入轨迹和终端时间自由的平面最小热载再入轨迹为例,详细讨论了遗传算法用于再入轨迹优化设计所需要解决的一些关键问题。仿真结果表明提出的方法能够较快地搜索到全局最优解,对初始猜测值不敏感,能够方便用于RLV的再入轨迹方案选择和优化设计。     

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。     

载人深空飞行返回再入模式仿真研究

建立了用于研究载人深空飞行返回再入模式问题的平面动力学模型,进行了基于弹道式和半弹道式模式再入的轨道仿真,分析比较了相同参数条件下两种再入模式的轨道动力学仿真结果,得出了载人深空飞行返回应采用半弹道式模式再入的结论,为进一步研究载人深空飞行返回再入策略和轨道优化设计提供了条件.     

多智能体系统的分布式预测控制器设计

针对多智能体系统的跟踪及编队控制问题,研究其分布式预测控制器的设计方法。考虑时变通讯拓扑情况,在优化问题中附加一项辅助约束,保证了优化问题的递归可行性及多智能体系统的闭环指数稳定性。在每个采样时刻,各智能体根据通讯拓扑实时更新其代价函数及辅助约束,通过求解带有状态、输入及辅助约束的优化问题来计算其控制输入。仿真结果验证了结论的有效性。     

可重复使用运载器再入弹道仿真

针对RLV再入特点,应用反馈线性化与模型预测控制相结合,设计了基于控制角与控制力矩间全反馈(非时标分离)条件下的反馈线性化控制器,实现了以控制增量做为优化变量、考虑模型状态和输入约束的模型预测控制器设计,解决了RLV再入模型的多变量耦合、参数不确定等非线性控制问题的平滑控制.最后在Simulink环境下建立了RLV再入仿真模型,应用RtFly快速原型系统完成了再入模型六自由度弹道实时仿真,仿真结果验证了该控制器能够较好跟踪制导参数,满足控制器设计指标和系统实时性要求.     

捷联惯性控制器半实物仿真

介绍了多机、多任务、实时再入飞行器捷联惯性控制器半实物仿真测试平台的构建,以及相关的建模与仿真技术,其中包括飞行力学环境建模与再入飞行轨迹参数的生成、捷联惯性传感器建模与输出信息模拟、半实物仿真系统实时调度算法。通过仿真实验在此平台上实现了对再入飞行器捷联惯性控制器的性能测试与检验,为再入飞行器捷联惯性控制器的研制提供了技术支持。     

靶区大气环境对再入体落点精度影响仿真研究

利用美国Cape Canaveral靶场近十年气象观测统计资料,建立靶区大气环境逐月蒙特卡洛样本集,在其基础上,利用Matlab/Simulink/RTW仿真工具,针对欧洲EXPERT/REV再入体,建立非线性六自由度飞行仿真模型,并对其落点参数进行了逐月蒙特卡洛仿真研究.统计结果表明,对于弹道式再入体,Cape Canaveral靶区大气静态参数变化和风场扰动所导致的落点散布随季节有较大变化,其中风场扰动的影响起主要作用.     

一种新型升力体再入智能BTT控制方法研究

针对再入机动升力采用BTT控制方法可以提高升力体的机动能力,提出了一种新型的升力体再入体智能BTT控制方法.首先采用基于拟人智能控制方法设计出控制系统的控制律,然后在此基础上,研究基于神经网络的滑膜控制方法设计鲁棒补偿器以增强控制系统的鲁棒性.通过仿真分析,验证了该方法的有效性.     

基于扰动大气模型的乘波构型飞行器再入弹道仿真

作者在半速度坐标系建立临近空间乘波构型再入飞行器质心动力学方程,将地球扰动大气模型应用于飞行器再入弹道分析,讨论了再入点运动参数和飞行器设计参数对标准弹道的影响,完成了不同大气模型对飞行器再入弹道射程、高度、过载、热流特性影响的对比分析。仿真结果表明：大气模型的变化对临近空间乘波构型飞行器再入弹道终点高度、最大过载、最大热流、总吸热量等参数影响明显,飞行器总体、结构、热防护、导航、制导与控制等系统设计必须考虑大气参数变化的影响。     

简讯

美对先进再入飞行器进行飞行试验 美国防部先进弹道再入系统(ABRES)局去年12月用民兵Ⅰ助推器成功地进行了机动再入飞行器的第一次飞行试验,飞行器从范登堡空军基地向夸贾林岛发射,发射用的助推器发生过问题。此飞行器的外形接近实战外形,其三轴全自主惯性制导系统有一数字计算机。     

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.     

基于模型预测控制的跳跃式再入制导算法研究

针对深空探测跳跃式再入返回飞行任务,提出了一种快速的再入制导算法,该算法基于模型预测控制（model predictive control,MPC）理论和近似动态规划（approximate dynamic programming,ADP）技术,将再入制导问题转化为两点边值问题,然后采用高斯伪谱法（Gauss pseudospectral method,GPM）求解该问题,实现快速制导计算。同时为了达到制导精度和制导效率的综合最优,提出了一种数值预报校正（numerical predictor-cor-rector,NPC）制导算法和快速再入制导算法融合的分段混合制导策略,该策略能对快速制导算法带来的制导偏差进行及时的修正,从而保证制导精度。蒙特卡罗仿真实验表明,与传统的数值预报校正制导算法相比,快速混合制导算法不仅能保证较高的制导精度,而且大幅减少了平均制导计算耗时,具有极大的在线应用潜力。     

再入轨迹跟踪控制的非线性方法研究

针对高度变化大,速度变化快的可重复使用飞行器的再入轨迹跟踪问题,选用名为状态相关Riccati方程的一种新型非线性控制方法进行再入轨迹跟踪控制器设计.同时在几乎所有涉及Riccati方程的控制器设计问题中,合适的加权矩阵的选择通常是比较棘手的.针对这个问题,提出了一种有效的权阵选择方法,避免了试凑等传统方法带来的误差和工作量.随后给出了最优再入轨迹跟踪控制器的详细设计过程,并在一定的气动摄动条件下进行飞行仿真.仿真结果表明了这种方案的可行性,实用性和鲁棒性.     

高可靠性再入轨迹快速规划方法

提出一种高可靠性再入参考轨迹快速规划方法。在参考轨迹生成过程中,如果飞行路径角变化率不足够小,拟平衡滑翔条件(quasi equilibrium glide condition, QEGC)的应用前提得不到保证,利用QEGC所得的倾斜角剖面不保守,从而导致生成的参考轨迹有穿越再入走廊的风险。为得到高可靠性再入轨迹,在倾斜角搜索过程中,除了使再入参考轨迹满足路径约束与终端约束外,同时将QEGC的应用前提“飞行路径角及其变化率为小量”作为倾斜角搜索的一项约束。计算结果表明所提方法能够保证再入轨迹的可靠性,同时基于QEGC规划方法的适应性得到保留。     

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。