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可重复使用助推器的导航、制导与控制方法研究

韩鹏鑫  
【摘要】:航天运载系统的完全可重复使用一直是航天界追求的目标。近30多年来的研究表明,两级入轨完全可重复使用运载器是近期内能够满足第二代可重复使用运载系统技术成熟度和经济性要求的唯一可行方案。在多种两级入轨运载系统概念研究中,可重复使用助推器(RBV)的研发备受关注。 本文以火箭动力返回工作模式下的RBV为背景,对其返回飞行过程中导航、制导和控制系统方案及相关关键技术展开深入的理论研究。主要研究内容包括: 综合分析了当前研究和论证较多的无动力返回、航空动力返回、火箭动力返回和混合动力返回四种典型回收飞行方案及典型的返回机动模式,确定火箭动力返回工作模式的RBV作为本文的研究重点,并详细给出了典型的飞行时序。在此基础上建立了完整的RBV返回飞行模型,该模型有效地避免了姿态机动中的奇异问题,并设计了参考飞行轨迹。 针对RBV的动态导航需求,提出了由惯性/卫星/大气数据系统/多普勒测速雷达/雷达高度计/激光测距仪构成的RBV组合导航系统方案,并建立了导航系统模型。提出了STUKF滤波算法并用于局部滤波估计。通过对比分析多种典型的故障检测和改进的信息融合方法,确定出比较适合RBV应用的处理方法。在此基础上,为满足动态导航需求,基于DBNs的动态信息融合理论对联邦滤波框架下信息融合方法进行改进,提出了有效的RBV导航系统主动-动态信息融合方法。 针对RBV低能返回飞行中特殊的制导需求,在对比分析典型比例反馈制导方法的基础上,设计了综合考虑纵/横向耦合的改进型比例反馈制导方法。在此基础上,为进一步改善制导方法的设计效率并提高制导性能,提出了基于微分平滑和动态逆轨迹跟踪技术的微分平滑制导,该方法可通用于再入和着陆阶段,仿真结果表明该制导方法具有更高的设计效率和更好的制导性能。 针对RBV大空域、强非线性、强耦合的控制系统特性和自主返回飞行控制需求,采用RCS/气动舵进行复合控制。建立了完整的RBV飞行控制系统模型,考虑到RBV返回飞行空域跨度大、环境干扰因素多等特点,基于总体气动数据分析了气动舵可以单独启用的飞行区间,提出了基于链式递增的RCS/气动舵控制分配方案和基于多模态瞬变抑制的平滑切换方法。在此基础上,分别采用动态逆和增益调度两种方法设计了飞行控制系统,基于给定总体参数的仿真对比表明,这两种方法中动态逆是更适合用于RBV返回飞行的控制系统设计方法。 基于模块化处理的思想设计了GNC联调验证系统,通过参数摄动及干扰影响下的RBV返回飞行仿真,验证了本文设计的导航、制导和控制系统方案与算法的有效性。通过与航天飞机轨道器返回飞行中执行机构配置情况的对比,进一步验证了本文GNC系统方案的合理性与可行性。


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