升力体式飞行器再入轨迹的快速规划方法研究

论文摘要

升力体式飞行器再入轨迹既要满足热流、过载、动压和平衡滑翔条件的再入走廊约束,也要满足终端约束和飞行器机动性能的约束。本文采用在线轨迹快速规划算法对升力体式飞行器无动力再入轨迹进行快速规划。把轨迹分为纵向和横向两部分,依靠滚转角的大小为控制量得到纵向标称轨迹,采用基于滚动时域的LTV系统的闭环稳定控制方法在线跟踪并优化纵向标称轨迹,得到控制偏差量。再结合一次反向滚转角的符号规划横向运动轨迹,最终得到满足约束的全弹道轨迹。本文研究的主要内容包括:首先,建立和简化了升力体式飞行器再入的运动方程和约束方程,并对其归一化处理。本文基于侧滑角为零和作用在飞行器上的力矩平衡的基本假设条件下,建立运动方程。利用大气密度方程,化简再入走廊约束为以速度为独立变量的不等式组,得到速度-高度再入走廊;简化地面轨迹的终端约束为一组以终端航向角为独立变量的等式,供横向运动的参数搜索。最后对运动方程和再入走廊不等式进行归一化,有利于提高数值计算精度。其次,基于平衡滑翔条件研究了纵向标称轨迹的规划算法。利用平衡滑翔条件把轨迹分为初始自由下降段、平衡滑翔段和终端段,并安排速度为自变量对滚转角进行规划。在满足航程的需求下,利用平衡滑翔段对三段进行衔接,将纵向多约束标称轨迹设计问题转化为一维空间的单参数搜索问题,最终依靠滚转角的大小为控制量得到纵向标称轨迹。再次,采用基于滚动时域的LTV系统的闭环稳定控制跟踪纵向标称轨迹。建立以航程为独立变量的纵向方程组,对其线性化得到以误差量为变量的线性时变方程组。利用滚动时域的LTV系统的闭环稳定控制,由与纵向标称轨迹的状态偏差量得到使状态量偏差最小的优化控制量偏差,再加上纵向标称控制量,最终得到实际控制量。最后,介绍了横向轨迹的规划算法。利用一维空间的单参数搜索的基本思想,靠一次反向滚转角的策略对横向轨迹进行规划。并说明了该方法的局限性,根据局限性又阐述了终端地面跟踪控制。全弹道轨迹的规划通过仿真验证最终达到了满意的效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景、目的及意义
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 标准轨道制导法
• 1.2.2 在线弹道快速规划算法
• 1.2.3 预测校正制导方法
• 1.2.4 三种制导方法的比较
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 升力体式飞行器再入的基础理论
• 2.1 建立运动方程的基本假设
• 2.2 运动方程的简单推导
• 2.3 运动方程的简化
• 2.4 轨道约束的描述及处理办法
• 2.4.1 纵向再入走廊约束
• 2.4.2 终端约束
• 2.5 归一化处理
• 2.5.1 归一化处理简述
• 2.5.2 运动模型及再入走廊的归一化处理
• 2.6 本章小结
• 第3章 纵向标称轨迹规划方法研究
• 3.1 平衡滑翔条件
• 3.1.1 纵向轨迹状态量与航程的关系
• 3.1.2 纵向运动方程
• 3.1.3 在QEG 内化简再入走廊约束为控制变量σ约束
• 3.2 初始自由下降段的轨迹规划算法
• 3.2.1 滚转角初始符号的确定
• 3.2.2 滚转角初值大小的确定
• 3.2.3 轨迹光滑转移
• 3.2.4 滚转角在自由下降段和QEG 段不连续的解决方法
• 3.2.5 仿真及结果分析
• 3.3 终端反向段的轨迹规划算法
• 3.3.1 终端反向段的特点
• 3.3.2 期望高度-速度剖面的设计
• 3.3.3 跟踪期望高度-速度曲线的非线性反馈轨道控制率
• 3.3.4 仿真及结果分析
• 3.4 平衡滑翔段的轨迹规划方法研究
• mid'>3.4.1 一维空间的单参数搜索σ_mid
• 3.4.2 仿真及结果分析
• 3.5 纵向标称轨迹仿真及结果分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 纵向标称轨迹的跟踪方法研究
• 4.1 滚动时域控制
• 4.2 基于滚动时域的LTV 系统的闭环稳定控制方法
• 4.3 纵向标称轨迹的跟踪
• 4.4 仿真结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 横向轨迹规划方法研究
• 5.1 一次反向滚转角策略
• 5.1.1 一次反向滚转角策略简要描述
• 5.1.2 滚转角反转迭代修正
• 5.1.3 确定反转点迭代的初值
• 5.1.4 一次反向滚转角方法的局限性
• 5.2 终端地面跟踪控制策略
• 5.2.1 期望的地面标称轨迹
• 5.2.2 滚转角跟踪控制器
• 5.2.3 攻角跟踪控制器
• 5.2.4 终端地面轨迹迭代
• 5.3 本章小结
• 第6章 全弹道轨迹仿真及分析
• 6.1 全弹道轨迹仿真参数
• 6.2 全弹道轨迹仿真及结果分析
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术
• 致谢