基于轨迹线性化控制的再入轨迹跟踪制导

针对高超声速飞行器再入制导问题,提出了一种基于轨迹线性化控制(TLC)方法的轨迹跟踪制导律.利用再入飞行器动力学固有时间尺度分离的特点,通过外环路和内环路的设计分别对高度和速度进行控制.轨迹倾角被用作外环路的虚拟控制量来控制高度;倾侧角和迎角用于在内环路跟踪轨迹倾角指令和速度.在反馈回路通过设计线性时变控制器对误差动态进行镇定.反馈增益可在线计算并能符号化地表示为参考轨迹的函数,从而避免了增益插值调度和可能需要的模式切换.大量仿真结果表明:TLC可以实现轨迹的精确跟踪且控制参数对不同参考轨迹的依赖性很小;TLC与基于轨迹在线生成的制导方法的结合可以显著提高再入制导的自主性和适应性.

基于凸优化和LQR的火箭返回轨迹跟踪制导

可重复使用运载火箭动力减速段制导,面临各种苛刻的过程约束、终端约束及燃料最省的迫切需求,给制导带来巨大挑战。因此,提出一种基于分段凸优化和线性二次调节器(LQR)的轨迹跟踪制导律。采用分段凸优化方法对火箭基准速度进行跟踪,大幅简化了优化模型从而降低凸优化求解的计算量,同时确保火箭在各种初始误差和模型误差的情况下燃料最省。采用LQR方法实现对火箭飞行位置轨迹的高精度跟踪,抵抗各种误差和干扰的影响。仿真结果表明:相对于传统的LQR跟踪制导方法,所提方法能大幅减少燃料消耗,且在各种误差和干扰下具有较高的轨迹跟踪精度和较强的抗干扰能力;相比于现有的滚动凸优化方法,所提方法能显著降低求解计算量,且方法可靠性更高。

多约束航迹规划与跟踪制导律

研究升力式飞行器多约束航迹规划与跟踪制导律设计。考虑到飞行器为满足任务需求规定了一定范围的禁飞区,为确保滑翔段末状态处于中末制导交班窗口内设置了严格的终端约束,导致传统基于最大升阻比、平衡滑翔策略的航迹规划不适用。针对飞行器在不同空域的动力学特性,结合飞行策略预划分手段分段提出不同状态下的攻角、倾侧角剖面,通过优化剖面构型参数将无穷维轨迹优化问题转化为有限维参数规划问题,完成多约束航迹规划。最后,考虑到气动不确定性带来的轨迹偏差,利用线性二次型调节器以位移加权误差最小为优化指标完成轨迹跟踪制导律设计,实现对规划航迹的在线纠偏,并通过仿真分析验证所提方法的有效性。

基于LADRC的RBCC高超声速飞行器轨迹跟踪

为解决RBCC高超声速飞行器在不确定性强、制导控制量多且相互耦合情况下精确跟踪标称轨迹的难题,从易于工程应用角度出发,提出一种基于线性自抗扰控制的纵向轨迹跟踪制导方法。根据RBCC高超声速飞行器特点建立数学模型。在线性自抗扰控制基本原理的基础上,设计轨迹跟踪制导律。针对自抗扰控制中的Peaking现象,结合比例反馈制导,设计防Peaking制导切换策略。仿真结果表明,相较于传统比例反馈制导,在动态参数扰动和风干扰下,所提方法具有更精确的轨迹跟踪性能,对于各种内外不确定性具有更强的鲁棒性。

固推约束下的火星表面起飞上升制导律设计

针对受固推约束的火星上升器(MAV)起飞上升问题,设计了上升段、无动力滑行段、入轨段三段式火星表面起飞上升全过程制导策略。首先,根据实际任务需求进行了上升器标称轨迹优化。其次,在上升段引入了阿波罗制导方法,通过类攻角和类侧滑角的控制实现对标称轨迹的跟踪。为减少上升段末端偏差对无动力滑行段与标称轨迹间误差的影响,提出了一种通过调整倾侧角改变上升器所受气动力进而控制飞行轨迹的技术路线,并设计了相应的滑模制导律。另外,兼顾固推发动机的能量管理需求,针对入轨段设计了Lambert制导策略,并参考标称控制量对其进行修正,使得上升器能够在控制能力有限的情况下完成较高精度的入轨。最后,通过典型场景火星表面起飞上升全过程数值仿真验证了所设计策略的有效性和鲁棒性。

基于自适应伪谱法的载人返回舱着陆段滑模制导方法

针对载人返回舱着陆段使用反推发动机定点着陆问题,基于自适应伪谱法和滑模控制理论提出一种轨迹跟踪制导方案,以同时实现着陆段姿态和轨迹跟踪。首先建立着陆段动力学模型,然后以燃耗最优为目标,使用自适应伪谱法获得着陆段姿态和轨迹指令,其次采用滑模控制理论设计了轨迹跟踪制导方法,实现着陆段轨迹跟踪控制,最后采用数值仿真验证了方法的有效性。仿真结果表明:所提方法的燃料消耗和着陆精度均满足反推着陆任务的要求,可为载人飞船反推着陆方案的实施提供有益参考。

基于MPC的带动力高超声速飞行器轨迹跟踪

针对带动力高超声速飞行器上升段制导问题,提出了一种基于凸优化的模型预测控制(MPC)轨迹跟踪方法。通过在模型预测控制优化模型中添加过程约束、控制量变化率罚函数项,提升带动力高超声速飞行器控制能力。对模型预测控制算法中的轨迹跟踪问题进行凸化和离散化,使用序列凸优化方法求解每个制导周期中的跟踪控制量;为加快序列凸优化的收敛速度,进一步提出基于轨迹误差的初值修改方法。仿真结果表明该方法具有较好的适应性,相比LQR方法可有效抑制控制量振荡和过饱和问题。