本文關(guān)鍵詞：探月返回跳躍式再入軌跡規(guī)劃與制導(dǎo)

  更多相關(guān)文章： 跳躍式再入 再入走廊 可達(dá)域 軌跡在線規(guī)劃 次優(yōu)控制器 線性反饋 非線性預(yù)測(cè)控制 卸載 雙時(shí)間尺度

【摘要】：月球探測(cè)一直是航天領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。對(duì)于無人月球探測(cè)任務(wù)來說,采樣返回是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。對(duì)于載人登月任務(wù)來說,定點(diǎn)返回技術(shù)更是事關(guān)航天員安全的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于飛船升阻比較小,再入軌跡需通過跳躍方式獲得更大的飛行航程以降低過載峰值。論文針對(duì)跳躍式再入,對(duì)再入走廊、再入軌跡可達(dá)域、再入軌跡在線規(guī)劃等問題以及再入制導(dǎo)方案進(jìn)行了系統(tǒng)研究,主要成果如下:分析了跳躍式再入的軌跡特性。1)在跳躍式再入軌跡的各段對(duì)典型路徑約束的特點(diǎn)以及它們之間的相互關(guān)系進(jìn)行了分析,并在過載滿足約束的前提下推導(dǎo)了熱流密度和動(dòng)壓的上限。對(duì)于再入軌跡優(yōu)化問題,應(yīng)用分析結(jié)論可以在某些情況下減少路徑約束的個(gè)數(shù)。2)建立了考慮多種約束的跳躍式再入走廊求解優(yōu)化模型,并利用多初始點(diǎn)直接打靶法對(duì)問題進(jìn)行了求解;3)建立了跳躍式再入軌跡可達(dá)域問題的優(yōu)化模型,并利用高斯偽譜法求解得到可達(dá)域邊界軌跡,并分析了再入初始條件對(duì)可達(dá)域的影響。提出了三種不同的跳躍式再入軌跡在線規(guī)劃方法。1)利用跳躍式再入的匹配漸進(jìn)展開近似解,迭代得到初次再入段所需的參考縱向升阻比,然后利用實(shí)際狀態(tài)和近似解的差對(duì)其進(jìn)行修正,得到初次再入段參考軌跡,二次再入段參考軌跡通過Apollo末段制導(dǎo)算法得到。2)將初次再入段阻力加速度-速度曲線用四次多項(xiàng)式曲線來擬合,并利用初始點(diǎn)信息和猜測(cè)的跳出點(diǎn)信息,建立起關(guān)于四次多項(xiàng)式系數(shù)的線性方程組,求解得到初次再入段的阻力加速度曲線,再對(duì)其進(jìn)行跟蹤得到初次再入段參考軌跡,二次再入段參考軌跡通過Apollo末段制導(dǎo)算法得到。3)將軌跡規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)控制問題,并采用狀態(tài)相關(guān)的黎卡提方程方法求解。針對(duì)狀態(tài)相關(guān)系數(shù)矩陣構(gòu)造困難且缺乏可操作性原則的特點(diǎn),利用在線方法實(shí)時(shí)計(jì)算系數(shù)矩陣,而狀態(tài)相關(guān)黎卡提方程采用近似方法求解。得到的次優(yōu)軌跡在初次再入段通過線性反饋策略進(jìn)行修正,二次再入段通過Apollo末段制導(dǎo)算法進(jìn)行進(jìn)一步修正,得到最終的參考軌跡。研究了跳躍式再入標(biāo)稱軌跡制導(dǎo)算法。1)設(shè)計(jì)了跳躍式再入標(biāo)稱軌跡制導(dǎo)律的框架,初次再入段跟蹤參考阻力加速度-速度或者阻力加速度-能量剖面,二次再入段采用Apollo末段制導(dǎo)算法。2)研究給出了初次再入段阻力加速度-速度剖面的線性反饋跟蹤算法。線性反饋算法跟蹤阻力加速度和阻力加速度變化率,偏差動(dòng)力學(xué)漸進(jìn)穩(wěn)定,并根據(jù)阻力加速度曲線的性狀在高速區(qū)和低速區(qū)采用不同的反饋系數(shù)。3)研究給出了初次再入段阻力加速度-能量剖面的非線性預(yù)測(cè)控制跟蹤算法。將預(yù)測(cè)跟蹤誤差表示為依賴于控制量的截?cái)嗟奶├照归_式,然后尋找使得目標(biāo)函數(shù)最小的控制量,其中目標(biāo)函數(shù)是預(yù)測(cè)誤差的函數(shù)。得出最優(yōu)控制量后,再根據(jù)軌跡長(zhǎng)度誤差對(duì)最優(yōu)解進(jìn)行修正,得到最終的滾轉(zhuǎn)角指令。研究了跳躍式再入數(shù)值預(yù)測(cè)-校正制導(dǎo)算法。1)縱向制導(dǎo)中,利用線性加常值的方式將滾轉(zhuǎn)角參數(shù)化后進(jìn)行軌跡預(yù)測(cè),并利用割線法進(jìn)行縱程偏差的校正。2)橫向制導(dǎo)針對(duì)傳統(tǒng)單漏斗方法的不足,研究了基于開傘點(diǎn)偏置策略的橫程制導(dǎo)改進(jìn)方法,在初次再入段通過瞄準(zhǔn)虛擬開傘點(diǎn)從而將最終段開始時(shí)刻的橫程控制在漏斗范圍之內(nèi)。3)針對(duì)預(yù)測(cè)校正算法中沒有考慮路徑約束的不足,研究了兩種卸載方法:外環(huán)預(yù)測(cè)式卸載方法以及基于雙時(shí)間尺度理論的內(nèi)環(huán)預(yù)測(cè)式卸載方法。前者在軌跡規(guī)劃時(shí)不考慮過載約束,而是在制導(dǎo)回路之外進(jìn)行過載峰值的解析預(yù)測(cè)并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)滾轉(zhuǎn)角指令進(jìn)行修正。后者在軌跡規(guī)劃時(shí)就考慮過載約束,通過對(duì)滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行修正規(guī)避掉不可行的軌跡。論文深入研究了跳躍式再入軌跡規(guī)劃與制導(dǎo)問題,研究成果可為我國(guó)未來的跳躍式再入返回軌道設(shè)計(jì)提供參考。
【關(guān)鍵詞】：跳躍式再入 再入走廊 可達(dá)域 軌跡在線規(guī)劃 次優(yōu)控制器 線性反饋 非線性預(yù)測(cè)控制 卸載 雙時(shí)間尺度
【學(xué)位授予單位】：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V448.2
【目錄】：

• 摘要12-14
• ABSTRACT14-16
• 第一章 緒論16-26
• 1.1 論文的研究背景16-18
• 1.1.1 探月返回任務(wù)簡(jiǎn)介16-17
• 1.1.2 跳躍式再入技術(shù)概述17-18
• 1.2 再入軌跡規(guī)劃問題及其研究進(jìn)展18-20
• 1.2.1 再入軌跡優(yōu)化18-19
• 1.2.2 再入軌跡快速規(guī)劃19-20
• 1.3 再入制導(dǎo)問題及其研究進(jìn)展20-23
• 1.3.1 標(biāo)稱軌跡制導(dǎo)20-21
• 1.3.2 預(yù)測(cè)校正制導(dǎo)21-23
• 1.4 論文主要工作23-26
• 1.4.1 主要研究?jī)?nèi)容23-24
• 1.4.2 研究工作安排24-26
• 第二章 跳躍式再入軌跡特性分析26-49
• 2.1 跳躍式再入軌跡優(yōu)化問題描述26-28
• 2.1.1 再入動(dòng)力學(xué)模型26-27
• 2.1.2 路徑約束27
• 2.1.3 終端約束27
• 2.1.4 控制變量約束27-28
• 2.1.5 目標(biāo)函數(shù)28
• 2.2 跳躍式再入路徑約束分析28-32
• 2.2.1 初始滾轉(zhuǎn)段30
• 2.2.2 下降控制段30-32
• 2.2.3 上升控制段32
• 2.2.4 開普勒段32
• 2.2.5 最終再入段32
• 2.3 考慮多種約束的定點(diǎn)返回跳躍式再入走廊分析32-40
• 2.3.1 問題描述32-34
• 2.3.2 求解策略34-36
• 2.3.3 算例分析36-40
• 2.4 跳躍式再入軌跡可達(dá)域生成及影響因素分析40-48
• 2.4.1 問題描述41-43
• 2.4.2 求解策略43-44
• 2.4.3 算例分析44-48
• 2.5 小結(jié)48-49
• 第三章 跳躍式再入軌跡快速規(guī)劃49-78
• 3.1 基于匹配漸進(jìn)展開近似解的軌跡快速規(guī)劃49-61
• 3.1.1 匹配漸進(jìn)展開近似解49-54
• 3.1.2 軌跡的快速規(guī)劃策略54-58
• 3.1.3 算例分析58-61
• 3.2 基于阻力加速度剖面解析生成的軌跡快速規(guī)劃61-69
• 3.2.1 總體規(guī)劃策略62-63
• 3.2.2 初次再入段D-V剖面生成63-66
• 3.2.3 算例分析66-69
• 3.3 基于有限時(shí)域次優(yōu)控制的軌跡快速規(guī)劃69-76
• 3.3.1 有限時(shí)域次優(yōu)控制器69-71
• 3.3.2 跳躍式再入軌跡規(guī)劃模型71-73
• 3.3.3 算例分析73-76
• 3.4 小結(jié)76-78
• 第四章 跳躍式再入標(biāo)稱軌跡制導(dǎo)78-102
• 4.1 跳躍式再入標(biāo)稱軌跡制導(dǎo)問題描述78-80
• 4.1.1 標(biāo)稱軌跡設(shè)計(jì)78-79
• 4.1.2 跳躍式再入標(biāo)稱軌跡制導(dǎo)律設(shè)計(jì)79-80
• 4.2 阻力加速度跟蹤的分段線性反饋算法80-89
• 4.2.1 阻力加速度偏差動(dòng)力學(xué)模型80-81
• 4.2.2 分段線性反饋跟蹤算法81-82
• 4.2.3 算例分析82-89
• 4.3 阻力加速度跟蹤的非線性預(yù)測(cè)控制算法89-97
• 4.3.1 非線性預(yù)測(cè)控制器89-90
• 4.3.2 阻力加速度跟蹤控制器設(shè)計(jì)90-92
• 4.3.3 算例分析92-97
• 4.4 制導(dǎo)律測(cè)試97-101
• 4.4.1 條件設(shè)置97
• 4.4.2 結(jié)果分析97-101
• 4.5 小結(jié)101-102
• 第五章 跳躍式再入數(shù)值預(yù)測(cè)-校正制導(dǎo)102-126
• 5.1 數(shù)值預(yù)測(cè)-校正制導(dǎo)律的基本原理102-106
• 5.1.1 控制變量參數(shù)化103-104
• 5.1.2 軌跡在線預(yù)測(cè)104-105
• 5.1.3 迭代校正算法105
• 5.1.4 段間切換邏輯105-106
• 5.2 基于開傘點(diǎn)偏置的橫向制導(dǎo)律設(shè)計(jì)106-110
• 5.2.1 傳統(tǒng)方法的缺陷106-108
• 5.2.2 開傘點(diǎn)偏置方法108-110
• 5.3 預(yù)測(cè)式卸載方法研究110-119
• 5.3.1 外環(huán)預(yù)測(cè)式卸載方法110-114
• 5.3.2 內(nèi)環(huán)預(yù)測(cè)式卸載方法114-119
• 5.4 制導(dǎo)律測(cè)試119-125
• 5.4.1 條件設(shè)置119-120
• 5.4.2 結(jié)果分析120-125
• 5.5 小結(jié)125-126
• 第六章 結(jié)論與展望126-129
• 6.1 論文主要研究成果126-127
• 6.2 進(jìn)一步研究的展望127-129
• 致謝129-130
• 參考文獻(xiàn)130-137
• 作者在學(xué)期間取得學(xué)術(shù)成果137-138
• 附錄A Apollo末段制導(dǎo)律138-140

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 賈世錦;;載人登月返回再入有關(guān)問題初步研究[J];航天返回與遙感;2011年02期

2 李小龍,陳士櫓;航天飛機(jī)的最優(yōu)再入軌跡與制導(dǎo)[J];宇航學(xué)報(bào);1993年01期

3 賈杰;荊泉;;飛行器再入姿態(tài)雙環(huán)滑模控制及其邏輯選擇[J];航天控制;2006年03期

4 陳有榮;袁建平;羅建軍;;再入滑翔式飛行器軌跡快速優(yōu)化[J];飛行力學(xué);2008年06期

5 李惠峰;凌源;;基于預(yù)測(cè)校正法的低升阻比飛船再入軌跡設(shè)計(jì)[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2009年06期

6 南英;陸宇平;龔平;;登月返回地球再入軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];宇航學(xué)報(bào);2009年05期

7 湯一華;余夢(mèng)倫;胡德風(fēng);楊勇;謝澤兵;;基于非線性最優(yōu)終端匹配的再入軌跡快速規(guī)劃研究[J];宇航學(xué)報(bào);2010年01期

8 王銀;陸宇平;張崇峰;;月球返回艙跳躍再入彈道特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2010年01期

9 沈紅新;李海陽(yáng);彭祺擘;;月球返回艙再入制導(dǎo)律設(shè)計(jì)[J];國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào);2010年04期

10 楊歡;宗鵬;;再入飛船通信環(huán)境建模研究[J];航天器環(huán)境工程;2010年05期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前7條

1 南英;陸宇平;龔平;;登月返回再入軌跡的優(yōu)化設(shè)計(jì)[A];中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第五屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2008年

2 林鑫;李飛;余西龍;陳立紅;張新宇;;航天器行星再入輻射現(xiàn)象研究的初步設(shè)想[A];第十四屆全國(guó)激波與激波管學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];2010年

3 肖歆昕;李文皓;張珩;;亞軌道飛行器再入通道概念及應(yīng)用[A];第三屆高超聲速科技學(xué)術(shù)會(huì)議會(huì)議文集[C];2010年

4 曾春平;胡軍;孫承啟;;反饋線性化方法在再入制導(dǎo)中的應(yīng)用[A];全國(guó)第十二屆空間及運(yùn)動(dòng)體控制技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2006年

5 范曉檣;李樺;丁猛;;彈頭外形再入表面熱流工程計(jì)算[A];第十屆全國(guó)計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議論文集[C];2000年

6 吳忠;朱挺;魏孔明;;基于控制力矩陀螺的再入彈頭姿態(tài)控制技術(shù)研究[A];第二十九屆中國(guó)控制會(huì)議論文集[C];2010年

7 李文皓;肖歆昕;張珩;;亞軌道飛行器再入攻角設(shè)計(jì)的法向過載動(dòng)平衡方法[A];第三屆高超聲速科技學(xué)術(shù)會(huì)議會(huì)議文集[C];2010年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前6條

1 杜昕;探月返回跳躍式再入軌跡規(guī)劃與制導(dǎo)[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

2 趙彪;快船式飛行器再入軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

3 吳旭忠;滑翔式飛行器再入制導(dǎo)與控制方法研究[D];北京理工大學(xué);2015年

4 鄭立偉;預(yù)測(cè)制導(dǎo)理論在飛行器再入與大氣層外攔截中的應(yīng)用[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

5 錢承山;空天飛行器多模型魯棒控制研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

6 黃國(guó)勇;基于Terminal滑模的空天飛行器再入魯棒自適應(yīng)控制[D];南京航空航天大學(xué);2007年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 俞斌;重復(fù)使用運(yùn)載器初期再入段制導(dǎo)技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2015年

2 胡榮;CRV飛行器再入制導(dǎo)控制方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

3 郭峰;升力體式飛行器再入軌跡的快速規(guī)劃方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

4 吳啟星;載人飛船應(yīng)急救生軌道的返回再入動(dòng)力學(xué)與制導(dǎo)問題研究[D];中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2002年

5 倪曉彬;基于能量的再入軌跡控制研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2004年

6 杜昕;載人深空飛行返回再入特性分析與制導(dǎo)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

7 蘇杭;探月飛船返回跳躍式再入軌跡規(guī)劃與制導(dǎo)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

8 李培林;回收艙再入過程的飛行特性研究[D];電子科技大學(xué);2010年

9 孟鵬飛;再入目標(biāo)的跟蹤定位與軌跡預(yù)報(bào)研究[D];電子科技大學(xué);2013年

10 馬宏圖;高可靠性再入軌跡在線設(shè)計(jì)及實(shí)時(shí)制導(dǎo)[D];大連理工大學(xué);2014年

，

本文編號(hào)：972344