一种基于椭圆轨迹的空天飞行器着陆段在线制导方法技术

本发明专利技术公开一种基于椭圆轨迹的空天飞行器着陆段在线制导方法，该方法根据飞行器的飞行任务确定终端窗口，通过弹上测量装置得到飞行器实时的飞行状态，利用飞行状态信息与着陆点位置、着陆速度信息计算符合飞行约束的椭圆轨迹，计算当前所需法向加速度及轴向加速度，再用数值计算的方法解算飞行器实时的制导指令。本发明专利技术突破传统方法对飞行器建模精度的依赖，利用实时飞行器飞行状态生成制导指令，相比传统制导方法环境适应性强、精度高，而且相比复杂的在线轨迹优化的方法易于工程实现。比复杂的在线轨迹优化的方法易于工程实现。比复杂的在线轨迹优化的方法易于工程实现。

【技术实现步骤摘要】
一种基于椭圆轨迹的空天飞行器着陆段在线制导方法


[0001]本专利技术涉及一种飞行器制导技术，尤其涉及一种空天飞行器着陆段在线制导方法。

技术介绍

[0002]空天飞行器是指采用吸气式组合动力形式、水平起降、可重复使用的能够自由往返于稠密大气、临近空间和近地轨道的新一代天地往返飞行器。空天飞行器以其廉价、安全、便捷、机动的优势，使低成本、大规模、高密度的航天运输活动成为可能,对于世界各国未来军事、科学、经济的发展有着至关重要的作用。
[0003]火箭冲压组合循环(RBCC)发动机是面向临近空间高机动飞行器、可重复使用空天运载飞行器的核心关键技术，也是未来新型空天组合循环动力装置的核心基础。RBCC动力飞行器在飞行过程中具有大空域、宽速域，复杂力/热环境等特点，尤其在发动机模态转换时，对于高度、速度等飞行状态有严格的窗口要求，因此对于飞行器的GNC系统提出了更高的精度要求。
[0004]传统飞行器利用轨迹优化方法离线求得标称轨迹，然后在标称轨迹的基础上预先计算轨迹状态变量沿参考轨迹的值，并将其贮存于机载计算机中。飞行过程中，利用导航系统获得的飞行状态的实际值与参考值之差来控制飞行器，使飞行轨迹跟踪参考标称轨迹。但在实际飞行过程中飞行器的气动和发动机性能与地面试验有所差别，因此很难保证飞行器的制导精度。除此之外，部分学者、专家对于飞行器在线轨迹优化、在线制导进行了一定的研究，但由于弹上计算机有限的计算性能，目前这些制导方法仍然处于理论研究阶段，很难用于实际飞行。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种环境适应性强、精度高且易于工程实现的空天飞行器在线制导的方法。
[0006]一种基于椭圆轨迹的空天飞行器着陆段在线制导方法，根据飞行器的飞行任务确定终端窗口，通过弹上测量装置得到飞行器实时的飞行状态，利用飞行状态信息与着陆点位置、着陆速度信息计算符合飞行约束的椭圆轨迹，计算当前所需法向加速度及轴向加速度，再用数值计算的方法解算飞行器实时的制导指令。
[0007]进一步地，法向加速度计算方法为：
[0008]定义椭圆坐标系，虚拟椭圆的方程可以表示为：
[0009][0010]a和b分别代表虚拟椭圆的长短轴；
[0011]在该坐标系下，飞行器的初始位置坐标为(
‑
S0,H0‑
b)，着陆点坐标为(0，
‑
b)；其中，S0和H0表示飞行器初始剩余航程和初始高度，0为椭圆中心点；椭圆在初始位置的切线斜率
必须与飞行器的弹道倾角匹配，可表示为以下形式：
[0012]k＝tanθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0013]θ表示飞行器的弹道倾角；
[0014]通过以上约束可知，规划出的椭圆轨迹必须满足初始、着陆点的位置约束以及初始弹道倾角的约束，约束可以表示为以下形式：
[0015][0016][0017]求解上述方程组可得：
[0018][0019][0020]至此，根据初始高度、剩余航程以及弹道倾角可设计出满足飞行器着陆点，且连续平滑的椭圆轨迹剖面，椭圆在该处的曲率半径为：
[0021][0022]为保证飞行器沿设计的椭圆轨迹飞行，当前状态所需要的法向加速度为：
[0023][0024]其中V0表示飞行器的初始速度。
[0025]进一步地，轴向加速度计算方法为：
[0026]飞行器从初始末段速度减速至理想速度V
f
，为飞行器能量耗散的过程，飞行器飞行过程中的能量可以表示为：
[0027][0028]能量的变化率可以表示为：
[0029][0030]将飞行器运动方程式中关于速度v和高度h的微分方程代入上式，得：
[0031][0032]ΔE为剩余能量差，E`0为着陆时刻收起减速板情况下的能量
‑
剩余航程变化率，它们可以表示为：
[0033][0034]E`0＝
‑
D0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0035]D0的大小根据气动数据计算获得，或者根据地面试验获得较为精确的数据，解算出当前能量变化率为：
[0036]E`
i
＝2ΔE/S
‑
E0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0037]根据公式可解算出所需阻力和对应的轴向加速度为：
[0038]D＝
‑
cosθ
·
E`
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0039][0040]本专利技术方法利用实时飞行器飞行状态生成制导指令，该方法具备以下优点：
[0041]1)可以提高空天飞行器俯冲段的制导精度；
[0042]2)避免人工反复设计，降低费用和任务规划时间；
[0043]3)适应性强，可应对诸如不确定性强或干扰因素较多的情况。
附图说明
[0044]所包括的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本专利技术的实施例，并与文字描述一起来阐释本专利技术的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045]图1为本专利技术方法流程图；
[0046]图2是椭圆式着陆轨迹几何剖面；
[0047]图3是能量变化率
‑
剩余航程剖面。
具体实施方式
[0048]下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。
[0049]本专利技术针对空天飞行器着陆段高精度制导需求，提出一种空天飞行器在线制导的方法，本专利技术方法的流程图见图1。
[0050]本专利技术采用的技术方案是：
[0051]根据飞行器的飞行任务确定终端窗口，通过弹上测量装置得到飞行器实时的飞行状态，利用飞行状态信息与着陆点位置、着陆速度信息计算符合飞行约束的椭圆轨迹，即确定椭圆轨迹的长轴与短轴。图2给出了椭圆式着陆轨迹的几何剖面，理想着陆点位于虚拟椭圆椭圆的下顶点。
[0052]如图2所示以着陆点作为椭圆下顶点、以虚拟椭圆的中心为坐标零点，建立二维坐标系，其中y轴垂直地面向上为正，x轴沿机场跑道以飞行器进场方向为正。根据几何关系可计算获得当前位置的椭圆曲率半径，从而计算出飞行器沿椭圆轨迹飞行所需实时的法向加速度。
[0053]除此之外，为满足飞行器接地速度的要求，将能量变化率
‑
剩余航程剖面设计成线
性变化曲线，由此解算出当前飞行器所需阻力，从而计算出飞行器轴向加速度。获得法向加速度及轴向加速度后依靠数值计算方法解算飞行器的舵偏角及阻力板偏角。飞行器在飞本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于椭圆轨迹的空天飞行器着陆段在线制导方法，其特征在于，根据飞行器的飞行任务确定终端窗口，通过弹上测量装置得到飞行器实时的飞行状态，利用飞行状态信息与着陆点位置、着陆速度信息计算符合飞行约束的椭圆轨迹，计算当前所需法向加速度及轴向加速度，再用数值计算的方法解算飞行器实时的制导指令。2.根据权利要求1所述的一种基于椭圆轨迹的空天飞行器着陆段在线制导方法，其特征在于，法向加速度计算方法为：定义椭圆坐标系，虚拟椭圆的方程可以表示为：a和b分别代表虚拟椭圆的长短轴；在该坐标系下，飞行器的初始位置坐标为(
‑
S0,H0‑
b)，着陆点坐标为(0，
‑
b)；其中，S0和H0表示飞行器初始剩余航程和初始高度，0为椭圆中心点；椭圆在初始位置的切线斜率必须与飞行器的弹道倾角匹配，可表示为以下形式：k＝tanθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)θ表示飞行器的弹道倾角；通过以上约束可知，规划出的椭圆轨迹必须满足初始、着陆点的位置约束以及初始弹道倾角的约束，约束可以表示为以下形式：为以下形式：求解上述方程组可得：求解上述方程组可得：至此，根据初始高度、剩余航程以及弹道倾角可设计出满足飞行器着陆点，且连续平滑的椭圆轨迹剖面，椭圆在该处的曲率半径为：为保证飞...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂文田，佘智勇，樊雅卓，刘旺魁，田方澍，祝明嘉，
申请(专利权)人：北京空天技术研究所，
类型：发明
国别省市：