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空天飞行器返回滑翔段在线制导方法

宇航学报 2021年第2期42卷 175-184页

作者：周宏宇王小刚赵亚丽崔乃刚哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 北京航天晨信科技有限公司北京102308

针对空天往返飞行器的返回滑翔段在线制导问题,设计了一种新的滑翔段飞行剖面,实现了滑翔段终端交班高度、位置和倾角约束的自动满足,减少了在线制导算法中需处理的约束数量。推导了滑翔段运动状态、过程约束和性能指标的解析表达式,获... 详细信息

针对空天往返飞行器的返回滑翔段在线制导问题,设计了一种新的滑翔段飞行剖面,实现了滑翔段终端交班高度、位置和倾角约束的自动满足,减少了在线制导算法中需处理的约束数量。推导了滑翔段运动状态、过程约束和性能指标的解析表达式,获得了剩余航程和终端速度间的函数关系。在此基础上,提出了一种双层在线制导方法:内层解析重构飞行剖面,同时通过解析确定路径点来改变剩余航程的变化率,进而对终端交班速度进行控制;外层借助解析表达式,使用粒子群优化算法(PSO)和改进共轭梯度法(CGM)优化飞行剖面,从而满足过程约束和指标要求。最后通过数学仿真验证了方法的正确性。

关键词：空天飞行器返回滑翔在线制导解析动力学优化算法

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火箭垂直回收着陆段在线制导凸优化方法

弹道学报 2017年第1期29卷 9-16页

作者：张志国马英耿光有余梦伦北京宇航系统工程研究所北京100076

为了研究火箭垂直回收着陆段的制导律设计问题,通过求解最省燃料问题获得制导律,将连续优化问题转化为一类二阶锥凸优化问题(SOCP)。采用凸优化问题求解程序,实时计算最优轨迹获得当前制导周期内的制导律,导引火箭飞向目标点并垂直软着... 详细信息

为了研究火箭垂直回收着陆段的制导律设计问题,通过求解最省燃料问题获得制导律,将连续优化问题转化为一类二阶锥凸优化问题(SOCP)。采用凸优化问题求解程序,实时计算最优轨迹获得当前制导周期内的制导律,导引火箭飞向目标点并垂直软着陆。该方法对着陆段初始状态偏差和下降过程中气动扰动有较强的适应性。进行了3个算例的仿真,结果表明:凸优化方法具有确定的收敛性质,相较于Radau伪谱法求解更加高效;参数设置简单,能够满足实时制导需求,具有在线应用的潜力。

关键词：火箭回收垂直着陆在线制导凸优化

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高超声速飞行器再入滑翔段在线制导

北京航空航天大学学报 2023年

作者：魏昊蔡光斌凡永华徐慧王晶周卓成火箭军工程大学导弹工程学院西北工业大学航天学院陆军步兵学院石家庄校区

针对高超声速飞行器再入滑翔段制导问题，提出了一种基于改进粒子群-鲸鱼算法的在线制导策略。考虑其约束模型与交班条件，建立了过程约束与终端约束模型。为缩短轨迹生成时间，减少算法计算量，设计了一种能自动满足终端高度、路径角... 详细信息

针对高超声速飞行器再入滑翔段制导问题，提出了一种基于改进粒子群-鲸鱼算法的在线制导策略。考虑其约束模型与交班条件，建立了过程约束与终端约束模型。为缩短轨迹生成时间，减少算法计算量，设计了一种能自动满足终端高度、路径角、航程约束的高度-剩余航程飞行剖面。基于阻力系数为常值的前提下，推导了满足航程约束的速度数值解。利用上述模型，设计了一种三参数寻优模型，实现对终端条件的控制。为优化过程约束，提出了结合鲸鱼算法和粒子群优化算法的改进鲸鱼算法，克服了粒子群算法易早熟收敛的缺点，提高了求解效率，满足了飞行过程中热流率最小的目标。而后通过将航迹分段的方法，设计了一种基于中间点的在线制导方法，对纵向剖面进行在线更新，从而满足终端约束。仿真结果表明，该方法能高效率的求解最优飞行轨迹。

关键词：高超声速飞行器再入滑翔段在线制导改进的鲸鱼算法轨迹优化

高超声速滑翔飞行器在线轨迹优化与再入制导方法研究

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飞行力学 2023年第6期41卷 51-58页

作者：杨美苏自立赵吉松南京航空航天大学航天学院江苏南京211106 航天科工防御技术研究试验中心北京100854

基于伪谱轨迹优化方法和线性二次型调节器轨迹跟踪方法,提出了一种在线更新标称轨迹的高超声速滑翔飞行器制导算法。对每个制导周期开始时刻的飞行器实际状态量和标称状态量的差值进行计算,当实际轨迹距离标称轨迹的偏差过大时,则以飞... 详细信息

基于伪谱轨迹优化方法和线性二次型调节器轨迹跟踪方法,提出了一种在线更新标称轨迹的高超声速滑翔飞行器制导算法。对每个制导周期开始时刻的飞行器实际状态量和标称状态量的差值进行计算,当实际轨迹距离标称轨迹的偏差过大时,则以飞行器当前实际状态量为初始状态对剩余飞行轨迹进行在线优化,作为下一制导周期轨迹跟踪的标称轨迹;并在考虑初始状态误差、升阻力系数误差及风扰动的情况下进行仿真研究。仿真结果表明,在线更新标称轨迹的制导算法对于各种不确定扰动具有更好的适应能力,而且相对于离线轨迹优化制导具有更高的准确性和鲁棒性。

关键词：高超声速滑翔伪谱法线性二次型调节器轨迹跟踪在线制导

面向高速目标的临近空间飞机拦截平台制导方法

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宇航学报 2023年第10期44卷 1575-1585页

作者：王健权王韬尹中杰郭明坤梁玉峰刘凯大连理工大学航空航天学院大连116024 中国人民解放军93129部队北京100843 上海机电工程研究所上海201109

针对高超声速目标拦截,提出一种基于临近空间飞机平台的制导策略,可充分利用临近空间飞机平台中制导修正能力强、拦截覆盖范围大、携带多枚拦截器、平台可重复使用等优势。该拦截制导方案主要涵盖临近空间目标弹道预报、拦截预测命中点... 详细信息

针对高超声速目标拦截,提出一种基于临近空间飞机平台的制导策略,可充分利用临近空间飞机平台中制导修正能力强、拦截覆盖范围大、携带多枚拦截器、平台可重复使用等优势。该拦截制导方案主要涵盖临近空间目标弹道预报、拦截预测命中点规划、高速飞机平台中制导律设计与拦截器-目标末制导律设计4个部分。弹道预报方面,给出一种基于辨识目标加速度模型的弹道预报方法;预测命中点规划方面,提出一种高效的搜索算法完成预测命中点规划;中制导律设计方面,提出一种双层在线制导律的设计方法,该方法可以快速在线规划飞行轨迹,提高中制导纠偏能力;末制导律设计方面,给出一种满足攻击角度和闭环攻击时间约束的协同末制导方法。通过开展仿真验证了该方法可以为临近空间目标拦截提供有效的研究思路。

关键词：临近空间目标拦截预测命中点在线制导协同末制导

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基于热响应特性的高速飞行器轨迹设计与制导

航空学报 2023年第22期44卷 213-222页

作者：许昱贺峥光薛鹏飞陈万春陈峰空间物理重点实验室北京100076 中国运载火箭技术研究院北京100076 北京航空航天大学宇航学院北京100191

针对传统热约束方式存在表征不合理的问题,通过热响应方程变换和热环境近似拟合,建立包含热响应模型的高速飞行器增广动力学模型,实现以飞行器防隔热层外壁温度和内壁温度作为热约束的目标。针对定常攻角飞行方案存在跳跃高度衰减较快... 详细信息

针对传统热约束方式存在表征不合理的问题,通过热响应方程变换和热环境近似拟合,建立包含热响应模型的高速飞行器增广动力学模型,实现以飞行器防隔热层外壁温度和内壁温度作为热约束的目标。针对定常攻角飞行方案存在跳跃高度衰减较快的问题,提出一种高度-速度(H-V)反馈控制的轨迹设计方法,使用高度和速度信息联合调节攻角,实现大空域反复穿梭跳跃飞行,进一步降低高速飞行器防隔热层内壁温度。针对拉偏情况下内壁温度上边界不确定的问题,提出一种具有内壁温度边界线特征的标称轨迹设计方法,使用最严峻的极值拉偏条件作为输入进行设计,实现对高速飞行器防隔热层内壁温度的上边界约束。针对拉偏情况下大空域反复穿梭跳跃飞行轨迹跟踪误差较大的问题,提出一种H-V反馈跟踪的在线制导方法,通过高度和速度偏差信息分别调节倾侧角和攻角,实现对高速飞行器标称轨迹的精确跟踪并满足内壁温度上边界约束,蒙特卡罗仿真表明其具备较好的鲁棒性。

关键词：高速飞行器热约束热响应轨迹设计在线制导跳跃飞行高度-速度反馈

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基于神经网络的广义两点边值问题

国防科技大学学报 2001年第2期23卷 23-27页

作者：陈磊王海丽任萱国防科技大学航天与材料工程学院湖南长沙410073

在航天领域中 ,多数制导问题均可以抽象为广义两点边值问题。本文探讨了神经网络在广义两点边值问题求解中的应用。首先讨论了离线制导这一类静态两点边值问题的求解 ,在此基础上 ,对在线制导这一类动态两点边值问题进行了分析。

关键词：两点边值神经网络制导航天离线制导在线制导

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升力式再入飞行器轨迹优化与制导方法研究

升力式再入飞行器轨迹优化与制导方法研究

作者：高嘉时华中科技大学

学位级别：硕士

升力式飞行器是一类具有大升阻比、强机动能力、内部体积利用率高、大攻角下气动特性良好的飞行器,随着空天领域技术的发展,升力式飞行器在未来军事、政治和经济中将发挥重要的战略作用。再入段是升力式飞行器由外太空重新进入天体大气... 详细信息

升力式飞行器是一类具有大升阻比、强机动能力、内部体积利用率高、大攻角下气动特性良好的飞行器,随着空天领域技术的发展,升力式飞行器在未来军事、政治和经济中将发挥重要的战略作用。再入段是升力式飞行器由外太空重新进入天体大气层的过程,是轨迹规划与制导中的研究重点,本文以此为研究对象,针对再入段轨迹优化与制导所面临的瓶颈问题,从以下几方面开展研究:在一定的假设下,根据飞行器再入段的运动学和动力学方程,建立再入段飞行器三自由度质心运动模型和大气环境模型,并针对指定飞行器进行气动特性分析;以此为基础,开展后续轨迹优化与制导的研究。针对传统的轨迹优化算法在快速性、收敛性上的瓶颈,设计了一种用于在线轨迹优化的凸优化方法,原始的轨迹优化问题为非线性最优控制问题,为将其凸化为二阶锥规划(SOCP)问题,分别从运动方程、性能指标、过程约束、问题离散化几个方面分别进行凸化处理,并通过原对偶内点法对处理后的凸问题进行求解。为验证该轨迹优化算法在快速性、收敛精度等方面的性能,本文基于再入飞行器模型,采用该方法分别求解最短时间和最小航程下的轨迹优化问题,仿真结果表明了该方法的有效性以及工程应用上的可行性。针对再入轨迹优化过程中,多数算法对建模依赖性强,导致在模型建立存在偏差或者扰动下的任务适应性较差的问题,本文提出了一种结合强化学习与神经网络的轨迹优化智能决策算法。传统的轨迹优化算法多通过数值方法求解控制量,在本文提出的方法中,针对飞行器所处的状态,由神经网络映射出动作值作为控制量,并通过状态转移所带来的奖励,利用强化学习的训练机制,对神经网络进行训练;文中基于再入飞行器模型,采用该方法求解满足过程约束和终端约束的可行轨道,验证了该方法的可行性;随着计算机计算性能与对智能化决策系统需求的提高,这一方法在轨迹优化这类复杂连续控制问题将会有更好的应用前景。针对制导系统对实时性和收敛性需求的提升,设计了一种基于二次约束二次规划(QCQP)问题的再入制导方法。该制导方法以对参考轨迹的跟踪误差与终端落点误差作为优化性能指标并对约束进行凸化处理,将制导问题原始形式对应的非线性最优控制问题转化为QCQP问题,采用内点法在多项式时间复杂度下对问题进行快速解决,获得最优制导律。文中为验证算法的有效性,分别在初始状态偏差、气动参数偏差、大气密度偏差干扰下进行制导仿真验证。最后对全文进行了总结,并指出了本文的创新点和存在的问题,为今后的进一步研究指明方向。

关键词：升力式飞行器轨迹优化在线制导凸优化强化学习

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运载火箭助推段轨迹优化与制导方法研究

运载火箭助推段轨迹优化与制导方法研究

作者：陈赟华中科技大学

学位级别：硕士

随着航空航天技术的高速发展,小型运载火箭具有较高的军事价值和民用价值,近年来已成为国际上研究的热点。为保证运载火箭能顺利完成飞行任务,在复杂多变的飞行环境中到达完成指定的运载任务,轨迹优化和制导方法的研究显得尤为重要。本... 详细信息

随着航空航天技术的高速发展,小型运载火箭具有较高的军事价值和民用价值,近年来已成为国际上研究的热点。为保证运载火箭能顺利完成飞行任务,在复杂多变的飞行环境中到达完成指定的运载任务,轨迹优化和制导方法的研究显得尤为重要。本文围绕运载火箭助推段轨迹优化与制导问题展开研究,主要完成了以下几个方面的工作:首先介绍了小型运载火箭的研究背景以及轨迹优化制导的研究意义,回顾和整理了国内外已有的各种轨迹优化和制导方法的原理特点和应用实例,为本文的研究方法和应用分析提供参考。针对本次的研究对象,根据动力学原理,对其助推段飞行过程进行建模,得到相应的三自由度非线性数学方程组,为后续方法的应用仿真提供模型基础。其次研究了基于粒子群算法的火箭助推段轨迹优化。首先通过基于切比雪夫的直接打靶法将轨迹优化问题转化为非线性规划问题。再通过引入“变异”和“多策略”思想对粒子群算法进行改进,提出了一种基于差分进化算法的多策略协同进化粒子群算法,对火箭助推段进行仿真和分析,验证了改进粒子群算法优化性能更好。接着以优化得到的弹道作为标称弹道,基于滚动时域的思想,将助推段的跟踪制导转化为有限时域内一维变量滚动时域次优化问题。在每个制导周期内,通过在有限时域内对制导指令在标称值附近进行混沌优化搜索,同时考虑飞行过程中存在的动压、热流以及攻角约束,得到可行的控制序列。在火箭助推段的数值仿真结果显示,基于滚动混沌优化的跟踪制导方法具有较高的精度和计算速度,且对飞行过程中的不确定性具有一定的抗扰能力。然后为了适应环境的不确定性,在飞行过程中提供更多的机动性和灵活性,设计了一种基于代理模型的改进SQP轨迹快速规划与闭环制导方法。为满足轨迹在线规划在快速性上的高要求,本文针对传统SQP方法对初值敏感的特点,在传统SQP算法的基础上进行改进,由代理模型提供最优解附近的初值,以减少迭代次数,加速算法收敛。同时为保证算法对环境不确定性具有一定的调节能力,对代理模型进行模型的偏差修正。通过数值仿真并与传统的SQP方法以及本文提出的跟踪制导方法对比,检验了算法的有效性、快速性和对环境不确定具有更强的抗干扰能力。最后,是对本文的总结,同时对目前研究中不足的地方进行了分析,并且提出了今后火箭助推段轨迹优化与制导中可以进一步深入研究的方向。

关键词：运载火箭轨迹优化跟踪制导在线制导粒子群算法滚动时域法序列二次规划代理模型