[發明專利]一種考慮多禁飛區約束的協同解析再入制導方法

有效

• 申請號: 201811424871.0
• 申請日: 2018-11-27
• 公開（公告）號: CN109508030B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發明（設計）人: 陳萬春;余文斌;趙鵬雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

本發明一種考慮多禁飛區約束的協同解析再入制導方法，包括步驟：1、再入制導問題描述；2、基于旋轉地球模型的飛行時間解析解；3、考慮多禁飛區和抵達時間約束的解析再入制導方法；4、多飛行器抵達時間協同方案。本發明優點在于：(1)提出基于旋轉地球模型的高超聲速滑翔彈道飛行時間的精確解析解，預測誤差保持在3％以內，適用于非常值縱向升阻比剖面的情況。(2)可基于三維再入彈道解析解和飛行時間解析解，解決在多禁飛區環境中導引多個高超聲速滑翔飛行器同時到達目標的協同飛行問題。(3)設計了考慮終端時間、速度和高度要求的基于在線彈道仿真的多目標數值迭代規劃方案。利用方向導數改進了擬牛頓法，減少彈道仿真次數。

技術領域

本發明涉及一種考慮多禁飛區約束的協同解析再入制導方法，屬于航天技術、武器技術、制導控制領域。

背景技術

協同編隊飛行技術對于提升體系作戰效能具有重要意義，擁有廣闊的應用前景，目前已經在無人機領域得到了廣泛而深入的研究。但是，對于高超聲速滑翔飛行器，編隊飛行十分困難。因為此類飛行器初速很高，但無動力，需要通過適當的橫向機動精確管理飛行能量。但對于具有不同起滑狀態、受到不同程度干擾的飛行器，其速度衰減曲線和橫向機動幅度均不相同，因而難以組成相對位置比較穩定的飛行編隊。

在協同編隊飛行技術方面，常見的編隊形式有楔隊、梯隊、橫隊、縱隊和V形等，可以實現協同偵察、防御和進攻等復雜任務。此外，通過利用領機產生旋渦中的上升氣流，編隊飛行還可以有效節省燃料，增加航程。但是，受速度和橫向機動幅度的時變特性的制約，目前還沒有可以有效應對高超聲速滑翔飛行器協同編隊飛行問題的理論和方法。

Yu W.，Chen W.，Analytical entry guidance for no-fly-zone avoidance(針對禁飛區規避的解析再入制導律)[J]Aerospace Science and Technology，2018，72：426-442.提出了具有高精度的地球旋轉補償模型，獲得了性能更好的三維再入彈道解析解，然后基于解析解設計了漸增式的傾側反轉序列規劃方案，實現了以較少的傾側反轉代價應對大量的禁飛區約束的目標。在本發明的以下說明中簡稱為文獻一。

Gaxley C.，Atmospheric entry(大氣層再入)[M].The RAND Corporation，1960.針對固定地球模型，給出了常值縱向升阻比條件下的飛行時間解析解。在本發明的以下說明中簡稱為文獻二。

發明內容

本發明的目的是為了解決目前還沒有可以有效應對高超聲速滑翔飛行器協同編隊飛行的問題，提出一種考慮多禁飛區約束的協同解析再入制導方法，解決在多禁飛區環境中導引多個高超聲速滑翔飛行器同時到達目標的協同飛行問題。

本發明的主要內容分為三個方面：(1)針對旋轉地球模型，推導了高精度的飛行時間解析解；(2)針對單個飛行器，設計了考慮多禁飛區和抵達時間約束的解析再入制導方法；(3)針對多個飛行器，設計了多禁飛區環境中導引多個高超聲速滑翔飛行器同時到達目標的協同飛行方案。其中，在解析再入制導方法設計時，控制終端速度和抵達時間均由縱向升阻比控制，因此在控制上是一個欠驅動問題，本文利用縱程解析解和時間解析解設計了一種能夠兼顧能量管理要求和抵達時間要求的縱向參考剖面規劃方法，可以有效解決此問題。

本發明一種考慮多禁飛區約束的協同解析再入制導方法，包括以下幾個步驟：

步驟1：再入制導問題描述

這里采用圓球形旋轉地球下的三維再入質點動力學模型，其中利用經度λ、緯度φ和高度H描述飛行器位置信息，而用速率V、彈道傾角γ和航向角ψ描述速度信息。

極高的飛行速度導致力熱環境極其惡劣。因此，為了保證飛行器的各個子系統正常工作，再入飛行軌跡需要滿足熱流密度來流動壓q、過載n約束。考慮到飛控系統能力有限，需要對攻角和傾側角范圍及變化率進行限制。除了常規約束，這里進一步考慮多個圓形禁飛區約束。