升力式天地往返飞行器自主制导方法研究

摘要

类似于美国X-37B的垂直起飞水平着陆的多级入轨升力式天地往返飞行器是现阶段各国研究发展的热点。空间应用对其提出了自主性、安全性和可靠性的要求,飞行器必须在飞行条件变化、飞行故障时,仍然有能力精确入轨或安全着陆到指定的区域,这就要求飞行器的制导技术必须具有极强的鲁棒性和自适应性。本文以X-37B升力式天地往返飞行器为背景,重点研究了其上升段和再入段自主制导方法。
　　当前飞行器大气层内上升段的制导均采用开环的制导模式,任意任务和系统参数的改变都需要重新规划一条最优的轨迹,飞行器大气层内制导技术关键是解决最优轨迹快速生成问题。直接法对初值敏感,求解速度较慢,间接法求解速度较快,精度较高,但对过程约束的处理较为困难。本文利用间接法,结合无过程约束下大气层内上升段最优轨迹的半解析表达式,构造了一种双重迭代算法,采用密度同伦的方法逐渐引入大气的影响,获得无过程约束下大气层内上升段最优轨迹,而后将该值作为初值,再采用直接法进行求解,最终获得有过程约束下大气层内上升段最优轨迹。
　　基于标准轨迹的摄动制导方法制导精度较低、自主性较差,传统的迭代制导基于小偏航角假设对大偏航角的任务不能适应。本文提出了三种具有不同迭代模式的适用于大姿态角范围的自主迭代制导方法,并推导了其雅可比矩阵的解析式。对三种迭代制导方法进行了比较分析,对性能较好的内更新迭代模式的迭代制导方法的制导精度进行了仿真分析,表明该方法能够适用于天地往返飞行器大气层外大姿态角范围的高精度自主制导。
　　再入轨迹优化分析是再入制导设计的基础。序列梯度-修复算法是求解最优控制问题的间接法,采用统一的最优性条件,减少了推导伴随方程与横截条件等过程的复杂和繁琐,便于模块化实现,对初值不敏感。本文研究了序列梯度-修复算法在升力式天地往返飞行器再入轨迹优化中的应用,给出了再入轨迹优化中控制量约束、过程约束的转化过程,同时结合再入运动数学模型的强非线性,引入了状态积分,改进了算法的更新方法。对改进的算法在升力式天地往返飞行器拟平滑再入轨迹优化中的实用性进行了比较分析,验证了改进的算法在收敛速度和优化效果上较原始算法有明显提升,能在较短的时间内获得一条满足过程约束和末端约束的升力式天地往返飞行器拟平滑再入轨迹。分析了飞行器平滑轨迹和跳跃轨迹的覆盖能力,相比平滑轨迹,跳跃轨迹能显著提高最大纵程,其法向过载、动压和驻点热流的值相对较小,因此对飞行器的结构强度和防热的要求相对较低,但是跳跃轨迹对控制系统的要求较高,对飞行器的气动特性和稳定性也提出了较高的要求。
　　以阻力加速度剖面为设计基础,开展升力式天地往返飞行器自主再入制导方法研究是最具有前途和实际工程应用价值的,而轨迹规划方法又是其需要重点解决的问题。本文提出了一种新的自主再入制导方法,该方法基于阻力加速度-能量剖面进行设计。阻力加速度-能量剖面由再入走廊上边界和下边界内插得到,倾侧角采用两次反转模式,轨迹规划同时考虑了飞行器的纵向和横向运动,通过调节内插系数和倾侧角反转点来满足射程和末端航向角的要求,只需积分侧向运动模型。

目录

升力式天地往返飞行器自主制导方法研究

AUTONOMOUS GUIDANCE METHOD FOR LIFT TRANSPORTATION VEHICLE

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景、目的和意义

1.2 天地往返飞行器发展概况

1.3 X-37B飞行器任务剖面和关键技术分析

1.4 轨迹优化方法研究概况

1.5 上升段制导方法研究概况

1.6 再入制导方法研究概况

1.7 论文主要研究内容

第2章 相关运动数学模型的建立

2.1 引言

2.2 坐标系定义

2.3 坐标系间的变换

2.4 发射惯性系上的上升段运动数学模型

2.5 再入运动数学模型

2.6 本章小结

第3章 大气层内上升段最优轨迹快速生成方法

3.1 引言

3.2 大气层内上升段无量纲化的运动数学模型

3.3 大气层内上升段最优控制模型

3.4 最优控制模型的解

3.5 算法结构

3.6 仿真分析

3.7 本章小结

第4章 大气层外上升段自主迭代制导方法

4.1 引言

4.2 大气层外上升段无量纲化的运动数学模型

4.3 大气层外制导的最优控制模型

4.4 最优控制模型的解析解

4.5 迭代制导方法

4.6 雅可比矩阵的解析式

4.7 姿态解算

4.8 迭代制导流程

4.9 比较分析

4.10 蒙特卡罗打靶分析

4.11 本章小结

第5章 基于序列梯度-修复算法的再入轨迹优化

5.1 引言

5.2 序列-梯度修复算法理论

5.3 拟平滑再入轨迹优化模型

5.4 改进的序列梯度-修复算法结构

5.5 算法可行性及再入轨迹最优特性分析

5.6 覆盖能力分析

5.7 本章小结

第6章 三维自主再入制导方法

6.1 引言

6.2 问题描述

6.3 再入走廊的确定

6.4 轨迹规划

6.5 轨迹跟踪

6.6 仿真分析

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致谢

个人简历