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考虑禁飞区约束的高超声速飞行器再入轨迹规划与制导

考虑禁飞区约束的高超声速飞行器再入轨迹规划与制导

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作者：张延坤哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

高超声速飞行器具有极高的军事战略意义,其通过稠密大气内的滑翔可以实现远程打击、侦察、物资投送等任务。因此高超声速飞行器滑翔段的轨迹规划与制导问题成为当前研究的热点。本文重点研究了禁飞区约束下的高超声速滑翔飞行器再入轨... 详细信息

高超声速飞行器具有极高的军事战略意义,其通过稠密大气内的滑翔可以实现远程打击、侦察、物资投送等任务。因此高超声速飞行器滑翔段的轨迹规划与制导问题成为当前研究的热点。本文重点研究了禁飞区约束下的高超声速滑翔飞行器再入轨迹规划与制导问题。首先定义了常用坐标系并研究了坐标系间相互转换关系,给出了地球引力模型、大气密度模型和飞行器气动模型。接着对高超声速飞行器在大气层内的受力情况进行了分析,分别建立了位置坐标系和再入坐标系下的动力学模型以及位置坐标系下的无量纲动力学模型,为后续轨迹规划与制导算法研究提供理论基础。针对禁飞区已知的情况进行了分段高斯伪谱法优化方法研究。首先根据禁飞区位置将再入轨迹分段,在每段分别使用传统高斯伪谱法离散状态量和控制量,从而把状态量以及控制量转换为代数约束。通过对起始点状态进行高斯积分得到末端状态。并且保证相邻两段之间满足轨迹的连续性,每段满足禁飞区约束条件,最后把分段的轨迹组合到一起,确定总的目标函数求解全局最优解。设计了自适应动态面跟踪制导方法对优化得到的最优轨迹进行跟踪制导。参考路径跟踪的思想将高超声速飞行器的三维轨迹跟踪转化为二维的路径跟踪问题,解决了制导过程中的欠驱动问题。高超声速飞行器再入滑翔过程中受干扰较多且干扰项随机性较强,针对此问题采用自适应动态面跟踪方法实现路径的鲁棒跟踪,并进行了稳定性证明,证明此方法跟踪标称轨迹在理论上能达到误差任意小。针对飞行过程中出现的禁飞区设计了在线规避禁飞区的轨迹规划方法。基于预测校正方法在线生成纵向轨迹,引入高度变化率补偿解决了预测校正方法中容易出现的轨迹周期性震荡问题。通过多触角探测生成横向轨迹,在双触角的基础上增加了左右和中间三条触角,增大了飞行器机动能力的利用率。通过在线轨迹重规划消除模型误差和再入过程的累计误差。最后对本文所提方法进行了仿真验证,给出仿真结果并分析,证明了本文所提方法切实可行。

关键词：禁飞区高斯伪谱法自适应动态面跟踪预测校正多触角探测

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