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升力式飞行器再入在线轨迹规划与制导方法研究

黄汉斌  
【摘要】:升力式再入飞行器是未来航空航天领域发展的一个重要方向。升力式飞行器再入过程中,速度高、航程远,需要承受的热、以及动压等约束较大,因此,对再入轨迹与制导方法提出了较高的要求,本文以升力式再入飞行器为研究对象,主要解决升力式飞行器再入在线轨迹规划与制导的关键技术难题。升力式飞行器再入过程的运动学模型以及相关约束的选择是再入轨迹规划与制导的基础。本文推导了升力式飞行器三自由度再入运动模型,对状态归一化后,将运动模型转化为以能量为自变量的模型,并给出再入过程中主要考虑的热流、过载、动压等约束的计算公式,为弹道特性分析和轨迹规划与制导方法研究奠定基础。在研究再入轨迹和制导方法之前,需要了解再入弹道特性,因此需要对飞行器弹道特性进行分析。本文基于简化的纵向再入运动模型,分析了平衡滑翔飞行和波动飞行相关机理,并通过仿真对平衡滑翔弹道和波动飞行弹道特点进行了探索,重点研究了波动飞行相较于平衡滑翔对于航程的影响,仿真结果表明,再入航程与升阻比直接相关,与弹道形式关系较小。通过对弹道特性的分析,为轨迹规划与制导方法研究提供一定的参考。当前技术条件下,通过优化产生再入轨迹效率较低,难以满足在线应用要求,因此需要研究能够满足在线应用的轨迹规划与制导方法。本文提出一种基于阻力加速度倒数剖面的在线解析规划轨迹方法,将过程约束和平衡滑翔约束转化成阻力加速度倒数走廊约束,进而利用提出解析计算航程的方法计算航程上下界,然后解析规划满足航程的轨迹,为了验证轨迹规划的可行性,利用自适应hp-Radau伪谱法离线求解最优轨迹,进行对比,结果表明:提出的方法效率较高,在Matlab环境下,计算时间减小到0.015s以内,同时精度满足相关要求。在此基础上提出了轨迹在线解析更新的方法,结合阻力加速度跟踪制导算法,提出一种新的在线轨迹规划与制导方法,仿真结果表明,提出的方法精度较高,在线更新轨迹时间小于0.005s,对于各种偏差和任务,具有较高的精度和效率,算法鲁棒性较高。以在线迭代计算为基础的预测校正制导方法具有高精度和灵活等特点,作为计算制导的一个重要发展方向得到了许多关注,本文在数值预测校正方法的基础上开展改进研究,以提高计算效率。本文给出了一种已有的数值预测-校正制导方法的基本原理,进行了仿真复现,提出了利用神经网络拟合倾侧角初值与待飞航程非线性关系的方法,从而构成基于神经网络拟合的再入制导方法,仿真结果表明,神经网络计算效率较高,Matlab环境下,可以达到0.001s以内;同时,本文利用拟平衡滑翔条件,求出倾侧角剖面对应的高度剖面、阻力加速度剖面等参数,进而,提出利用Gauss积分代替数值积分求解待飞航程的方法,基于求得的高度剖面,又提出利用滚动时域对高度进行数值预测-校正的方法,从而构成一种基于平衡滑翔条件的解析预测-校正制导方法,仿真结果表明,提出的方法计算效率可随制导剖面更新周期灵活变化,计算效率较高,同时精度也得到了一定的提升,算法偏差适应性和任务适应性较高,有较强的鲁棒性,有在线应用的潜力。


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