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拦截机动目标的信赖域策略优化制导算法

航空学报 2023年第11期44卷 277-295页

作者：陈文雪高长生荆武兴哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对临近空间高超声速飞行器的高速性、机动性等特性,为提高制导算法针对不同初始状态、不同机动性目标的准确性、鲁棒性及智能性,提出一种基于信赖域策略优化(TRPO)算法的深度强化学习制导算法。基于TRPO算法的制导算法由2个策略(动作... 详细信息

针对临近空间高超声速飞行器的高速性、机动性等特性,为提高制导算法针对不同初始状态、不同机动性目标的准确性、鲁棒性及智能性,提出一种基于信赖域策略优化(TRPO)算法的深度强化学习制导算法。基于TRPO算法的制导算法由2个策略(动作)网络、1个评价网络共同组成,将临近空间目标与拦截弹相对运动系统状态以端对端的方式直接映射为制导指令。在算法训练过程中合理选取连续动作空间、状态空间、并通过权衡能量消耗、相对距离等因素构建奖励函数加快其收敛速度,最终依据训练的智能体模型针对不同任务场景进行拦截测试。仿真结果表明:与传统比例导引律(PN)及改进比例导引律(IPN)相比,本文算法针对学习场景及未知场景均具有更小的脱靶量、更稳定的拦截效果、鲁棒性,并能够在多种配置计算机上广泛应用。

关键词：深度强化学习信任域策略优化临近空间拦截导弹末制导机动目标马尔可夫过程

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高超声速飞行器机动规避轨迹优化

哈尔滨工业大学学报 2017年第4期49卷 16-21页

作者：高长生陈尔康荆武兴哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

为研究高超声速滑翔飞行器规避禁飞区的轨迹设计问题,提出了一种基于拼接的机动规避轨迹优化方法.该方法通过引入拼接点将整条飞行轨迹分为若干段,然后利用能够处理分段优化问题和自动调整配点分布的自适应伪谱法,对高超声速滑翔飞行器... 详细信息

为研究高超声速滑翔飞行器规避禁飞区的轨迹设计问题,提出了一种基于拼接的机动规避轨迹优化方法.该方法通过引入拼接点将整条飞行轨迹分为若干段,然后利用能够处理分段优化问题和自动调整配点分布的自适应伪谱法,对高超声速滑翔飞行器的机动规避轨迹进行优化设计.仿真结果得到了不同禁飞区和拼接点分布下的机动规避轨迹,这些轨迹能够在满足各种约束条件的情况下有效规避禁飞区并到达指定点,且其中一种轨迹是全局优化方法无法得到的.仿真结果表明,该方法能够用于设计高超声速滑翔飞行器的横向大幅复杂机动轨迹,此外在该方法中拼接点位置还能够控制轨迹的形态.

关键词：高超声速机动平衡滑翔自适应伪谱法拼接

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弹性高速飞行器的状态/参数滚动时域估计

北京航空航天大学学报 2019年第2期45卷 291-298页

作者：陈尔康荆武兴高长生哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对弹性高速飞行器非线性、不确定性和刚体/弹性耦合的特点,提出了一种基于QR分解和滚动时域估计的状态/参数联合估计方法。首先,通过引入滚动时域策略,将状态/参数估计问题转化为固定变量数目的优化问题,能够较好地处理时变参数的估... 详细信息

针对弹性高速飞行器非线性、不确定性和刚体/弹性耦合的特点,提出了一种基于QR分解和滚动时域估计的状态/参数联合估计方法。首先,通过引入滚动时域策略,将状态/参数估计问题转化为固定变量数目的优化问题,能够较好地处理时变参数的估计问题。然后,利用前向动态规划原理,将到达代价的计算转化为最小二乘问题,并利用QR分解进行求解,从而给出了基于QR分解的到达代价更新方法。这样使得整个滚动时域估计方法都建立在优化的基础上,且引入了反馈机制,提高了估计精度和速度。仿真结果表明:滚动时域估计的精度明显优于扩展卡尔曼滤波,且基于QR分解的到达代价更新方法在速度上优于传统的基于估计误差协方差的到达代价更新方法。

关键词：高速飞行器弹性滚动时域估计状态估计参数估计 QR分解

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机动发射弹道导弹集群诸元快速规划

宇航学报 2022年第12期43卷 1597-1605页

作者：臧红岩高长生荆武兴哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

针对机动发射条件下弹道导弹集群的飞行诸元快速规划问题,将神经网络预测与最小二乘优化相结合,提出了一种弹道导弹发射诸元快速规划方法。首先分析了弹道导弹助推段飞行策略并选取适当的发射诸元,以发落点信息为输入,设计双隐藏层诸元... 详细信息

针对机动发射条件下弹道导弹集群的飞行诸元快速规划问题,将神经网络预测与最小二乘优化相结合,提出了一种弹道导弹发射诸元快速规划方法。首先分析了弹道导弹助推段飞行策略并选取适当的发射诸元,以发落点信息为输入,设计双隐藏层诸元预测网络,通过弹道仿真获取弹道数据建立数据集完成网络训练,利用该网络可以得到发射诸元迭代初值。在此基础上,为了消除数据集中样本数据不平衡对发射诸元规划精度的影响,以落点射程、横程、高程偏差最小为指标函数,结合最小二乘优化方法进行迭代获得发射诸元精确解。最后在典型发射场景下,进行了弹道导弹集群机动快速发射仿真验证。结果表明,该方法相较于传统方法可显著提高计算速度与精度,且在给定的大范围机动条件下,能够满足弹道导弹集群对远距离、多目标的快速精确打击。

关键词：弹道导弹集群机动发射神经网络最小二乘优化

弹性高超声速滑翔飞行器的状态/参数联合估计

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航空学报 2019年第8期40卷 243-254页

作者：陈尔康荆武兴高长生哈尔滨工业大学航天学院

弹性高超声速滑翔飞行器具有强非线性、强不确定性和刚体/弹性耦合的特点,对其状态和参数进行估计十分必要。为解决这一问题,提出了一种传感器布置策略和一种利用正交三角(QR)分解更新到达代价的滚动时域估计算法(MHE-QR)。首先,建立了... 详细信息

弹性高超声速滑翔飞行器具有强非线性、强不确定性和刚体/弹性耦合的特点,对其状态和参数进行估计十分必要。为解决这一问题,提出了一种传感器布置策略和一种利用正交三角(QR)分解更新到达代价的滚动时域估计算法(MHE-QR)。首先,建立了考虑弹性的传感器观测模型并分析了传感器位置对可观性的影响,并在此基础上提出了一种反映系统可观性的性能指标。传感器布置策略以此性能指标为目标函数,将传感器布置问题转化为约束非线性优化问题并求解,即可得到最优传感器布置方案。然后提出了MHE-QR算法。在滚动时域估计的框架下,该算法利用前向动态规划原理将到达代价的计算转化为最小二乘问题,并给出了基于QR分解的到达代价更新算法。仿真结果表明该传感器布置策略和MHE-QR算法能够有效提高估计精度、收敛速度和计算速度。此外,MHE-QR算法具有实时应用的潜力。

关键词：弹性高超声速滑翔飞行器传感器布置状态估计参数估计滚动时域估计

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捕获非合作目标后航天器的自主稳定技术研究

航空学报 2013年第7期34卷 1520-1530页

作者：韦文书荆武兴高长生哈尔滨工业大学航天工程系黑龙江哈尔滨150001

捕获非合作目标后航天器质量特性发生突变,这大大地增加了系统的不确定性,控制不当容易导致失稳。为避免控制过程中航天器出现较大系统干扰问题,提出了先识别捕获后的系统质量特性,而后合理摆放非合作目标的自主稳定策略。首先,对航天... 详细信息

捕获非合作目标后航天器质量特性发生突变,这大大地增加了系统的不确定性,控制不当容易导致失稳。为避免控制过程中航天器出现较大系统干扰问题,提出了先识别捕获后的系统质量特性,而后合理摆放非合作目标的自主稳定策略。首先,对航天器捕获过程和自主稳定策略进行了描述;其次,依据动量矩定理建立了非合作目标与航天器组合系统的数学模型,推导了非合作目标位置与质量特性之间的关系;然后,基于航天器数学模型和姿态测量信息,采用非线性规划方法对质量特性进行了辨识;最后,利用滑模变结构理论设计了非合作目标的控制回路,采用Lyapunov理论对系统的稳定性进行了分析。仿真结果表明:本文提出的自主配平策略响应快、精度高,适合在轨服务。

关键词：航天器非合作目标自主稳定辨识非线性规划方法滑模变结构控制

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太阳高纬探测器的借力飞行轨道设计

北京航空航天大学学报 2006年第8期32卷 917-921页

作者：马文臻郑建华高长生中国科学院空间科学与应用研究中心北京100080 哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

行星借力飞行技术可以节省深空探测任务的能量消耗.针对借助内行星引力向太阳高纬度发射探测器这一科学任务,分别以金星和地球为借力星体,运用圆锥曲线拼接法,通过求解兰伯特问题绘制能量等高线图,搜索多天体交会发射机会,设计探测器与... 详细信息

行星借力飞行技术可以节省深空探测任务的能量消耗.针对借助内行星引力向太阳高纬度发射探测器这一科学任务,分别以金星和地球为借力星体,运用圆锥曲线拼接法,通过求解兰伯特问题绘制能量等高线图,搜索多天体交会发射机会,设计探测器与借力体轨道周期之比为1∶1或2∶3的多次借力行星际轨道,获得相对黄道面成大倾角的目标轨道.分析表明,采用多天体交会借力相比单天体借力可大大降低发射能量;3次借用金星或者地球的引力可以使探测器轨道相对黄道面的倾角达到30°左右;3次地球借力轨道性能为最优,需要的地球发射能量更低,而且飞行器进入目标轨道之前的转移时间较短.

关键词：深空探测行星际任务轨道设计借力飞行

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质量矩再入飞行器的参数优化和性能分析

航空学报 2008年第6期29卷 1419-1423页

作者：高长生荆武兴李瑞康哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001

为满足模型的有效性和可操作性,提出了以个体为对象的质量矩再入飞行器(MMV)动力学分析方法,即依靠内力和过载等物理量定性分析并设计主要参数后,再写出姿态、滑块完整动力学方程。该方程在保证MMV机动性不变的前提下,降低了系统耦合性... 详细信息

为满足模型的有效性和可操作性,提出了以个体为对象的质量矩再入飞行器(MMV)动力学分析方法,即依靠内力和过载等物理量定性分析并设计主要参数后,再写出姿态、滑块完整动力学方程。该方程在保证MMV机动性不变的前提下,降低了系统耦合性;以驱动滑块运动的内力为控制量的简化方程是仿射型非线性方程,与精确方程的状态响应相比迎角偏差在0.01°以内,因此该方法降低了自动驾驶仪的设计难度。

关键词：再入飞行器飞行力学质量矩建模总体设计

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高超声速机动目标拦截多约束解析捕获区

航空学报 2023年第22期44卷 196-212页

作者：谭一廷荆武兴高长生安若铭哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001

为快速评估远程拦截末段有效作战态势,在拦截器视场和饱和加速度约束下,构建了机动形式方向任意且有界的高超声速目标拦截解析捕获区。为适配该类目标拦截场景,首先引入了渐近收敛的抗干扰末制导律以进行捕获区分析。其次通过构建复合... 详细信息

为快速评估远程拦截末段有效作战态势,在拦截器视场和饱和加速度约束下,构建了机动形式方向任意且有界的高超声速目标拦截解析捕获区。为适配该类目标拦截场景,首先引入了渐近收敛的抗干扰末制导律以进行捕获区分析。其次通过构建复合李雅普诺夫函数,并将非线性规划技术用于不等式分析,最终推导了由修正的初始接近速度、初始视线法向相对速度和拦截器初始速度前置角三者的解析捕获条件构成的多约束捕获区以及制导增益允许取值范围。理论证明了在增益设置满足所给范围情况下,拦截器从该捕获区内任意初始状态点出发,均能有效拦截任意有界机动目标且保证制导加速度不超过允许上限以及视场约束全程满足,并满足终端脱靶量小于允许阈值且接近速度小于容许碰撞速度。对比仿真验证了所得结论的正确性,并分析了捕获区影响因素和变化规律,可为增大初始阵位可控裕度提供参考。

关键词：导弹制导多约束捕获区视场约束饱和过载任意有界机动目标