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平流层飞艇轨迹优化设计研究

秦凤平  
【摘要】:平流层飞艇是浮空器的一种,它一般工作在距离地表18~22km处的平流层区域。平流层飞艇平台(SAP,Stratospheric Airship Platform)作为一种新的高空平台,可以在平流层提供通信、电视转播、环境观察以及监测等功能,和传统的固定翼飞机相比,平流层飞艇具有能够长时间定点驻空的特征;和卫星相比,飞艇可以在较低的高度长时间的定点驻空,并且操作成本较小。 本文围绕平流层飞艇不同飞行阶段的轨迹优化设计展开,研究平流层飞艇从地面上升到平流层固定高度的最优轨迹和在平流层高度内从一个地点飞到另一个地点的最优轨迹。通过不同性能指标的设计,得出满足这些性能指标的最优轨迹,为实际飞行中的轨迹跟踪提供参考。首先建立平流层飞艇的数学模型,并根据上升阶段和平飞阶段的条件,得出简化的上升模型和平飞模型;其次对从地面到平流层的主要大气环境要素(大气密度和风场分布)进行建模,为轨迹优化的仿真建立接近实际的环境模型;再次建立平流层飞艇轨迹优化的最优问题模型,利用直接配点法将无限维的轨迹优化问题转化为有限维的非线性参数规划问题,并选择序列二次规划(SQP,Sequence Quadratic Programming)方法实现最优轨迹搜索,得到最优上升轨迹和平飞轨迹。仿真结果给出各种约束条件和大气环境下,满足不同性能指标要求的最优上升和平飞轨迹,并直接给出优化飞行过程中各执行机构的参考操纵量。


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