升力式再入飞行器自主制导与姿态控制

【摘要】：本文以升力式再入飞行器为研究对象,主要研究飞行器在再入过程中的制导和姿态控制问题。飞行器的再入过程具有飞行环境恶劣,飞行状态跨度大等特点,这些都给飞行器的制导和姿态控制带来了困难。针对这些问题,本文主要工作如下:首先,针对升力式再入飞行器研究了预测校正制导方法。预测校正制导处理过程约束比较困难。本文通过添加补偿项的方法解决了过程约束问题。该制导律将再入过程分为初始再入段和滑翔段。滑翔段具有明显的横向运动与纵向运动,因此,将制导分为纵向制导和横向制导。纵向制导主要使飞行器满足航程以及过程约束要求,横向制导则主要满足目标点位置的要求。制导过程中,先使飞行器满足终端目标的要求,然后再添加补偿项使飞行器满足过程约束的要求。其次,针对标准轨迹制导法研究了轨迹跟踪方法。基于模型预测控制的思想,引入预测时域,在预测时域内构造最优控制问题,并将最优控制问题转化为两点边值问题,采用高斯伪普法将两点边值问题离散到高斯节点上,得到一系列的线性代数方程组,求解方程组得到最优问题的解析解。该方法可以消除一定范围内的初始误差,且具有较强的抗干扰能力。同时,当飞行器发生故障使飞行器的气动模型变化,标称的参考轨迹和参考制导指令不再适用,需要在线重新规划轨迹时。上述跟踪方法同样适用。最后,针对制导指令跟踪问题研究了一种被动容错控制方法用于控制再入飞行器的姿态控制,使飞行器稳定跟踪制导指令。基于反步法的思想,将姿态控制系统分为两步进行设计。第一步设计期望角速度作为运动学的虚拟控制,第二步设计控制输入跟踪期望角速度。在转动惯量信息未知的情况下,该容错控制方法同样具有较快的收敛速度。