[發明專利]縱橫向松耦合在線軌跡規劃方法及電子設備

有效

• 申請號: 202011262180.2
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112498744B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 劉哲;艾邦成;周月榮;關發明;陳冰雁
• 申請（專利權）人: 中國航天空氣動力技術研究院
• 主分類號: B64G1/24
• 分類號: B64G1/24
• 代理公司: 北京思創大成知識產權代理有限公司 11614
• 代理人: 張立君

本發明提出了一種縱橫向松耦合在線軌跡規劃方法及電子設備。規劃方法包括：規劃三維軌跡目標航程和橫向軌跡；基于序列凸優化算法進行縱向參考剖面規劃，縱向參考剖面包括能量?攻角剖面，縱向參考剖面的初始目標航程與三維軌跡目標航程一致；利用軌跡預測模型，對飛行器進行三維軌跡預測；評估傾側機動引起的航程損失，根據航程損失對進行縱向參考剖面的目標航程進行校正。本發明的方法與縱橫向緊耦合規劃相比，補償了航程損失，降低了傾側機動對三維軌跡末端縱向運動狀態的影響。本發明只對縱剖面利用數值優化方法?序列凸優化方法進行規劃，橫向軌跡使用幾何方法進行規劃，顯著減少了計算量，提高了實時性。

技術領域

本發明屬于制導控制技術領域，具體涉及一種飛行器末端能量管理縱橫向松耦合在線軌跡規劃方法、電子設備及存儲介質。

背景技術

末端能量管理(TAEM)技術主要應用于可重復使用運載器(RLV)。美國航天飛機最早應用末端能量管理技術，完成135次無動力滑翔進場著陸，取得了巨大成功。在航天飛機退役之后，X-37B應用末端能量管理技術，在加州范登堡空軍基地以及肯尼迪航天中心成功完成了多次的進場著陸任務。意大利也開展過TAEM技術的研究。

由于計算機運算能力的限制，早期的末端能量技術存在兩個問題：首先，縱向剖面較復雜，難以在線規劃。通常將離線設計好的縱向剖面存儲在計算機中，形成軌跡數據庫，以供在線選擇，減少在線運算量，稱為軌跡數據庫方法。軌跡數據庫法的問題是數據庫無法覆蓋任意初始條件，參考軌跡初始條件與實際飛行條件存在偏差的概率很大。第二，在設計縱向剖面時，為計算簡單，不考慮航天飛機傾側機動的影響，即縱橫向解耦規劃。但航天飛機在能量管理過程中通常會通過傾側來調整航向，縱橫向解耦規劃方法會導致對航程的預測偏大，因為傾側角降低飛行器縱向的升阻比，縮短航程。傾側的時間越長、傾側角越大，航程偏差越大。且傾側機動會影響三維軌跡末端的縱向運動狀態，包括彈道傾角、速度和高度，使末端的縱向運動狀態偏離設計值。

近期的末端能量管理技術多進行軌跡縱橫向緊耦合規劃，即直接對三維運動方程進行迭代求解攻角和傾側角歷程。縱橫向緊耦合軌跡規劃方法計算量大，實時性差。

發明內容

本發明的技術解決問題：設計一種飛行器末端能量管理縱橫向松耦合在線軌跡規劃方法，解決傳統TAEM技術中的三個主要問題。一是數據庫方法無法覆蓋任意初始條件導致存在初始條件偏差。二是軌跡縱橫向解耦規劃對側向機動軌跡存在航程預測偏差，傾側機動影響軌跡末端縱向運動狀態。三是軌跡縱橫向緊耦合設計計算量大，實時性差的問題。

軌跡縱橫向松耦合規劃只對縱剖面利用數值優化方法進行規劃，規劃時考慮能量域動力學方程縱向穩定條件，橫向軌跡使用幾何方法進行規劃。

根據本發明的一個方面，提供一種飛行器末端能量管理縱橫向松耦合在線軌跡規劃方法，包括：

規劃三維軌跡目標航程；

基于幾何方法，規劃橫向軌跡；

基于序列凸優化算法進行縱向參考剖面規劃，得到能量-攻角剖面；縱向參考剖面的初始目標航程與三維軌跡的目標航程一致，縱向參考剖面的起點和終點的運動狀態與三維軌跡的起點和終點的縱向運動狀態一致；

利用軌跡預測模型，沿能量-攻角剖面對飛行器進行三維軌跡預測，直至飛行器能量到達縱向參考剖面終點的能量狀態；

評估傾側機動引起的航程損失，根據航程損失對縱向參考剖面的目標航程校正。橫向軌跡進一步地，該方法還包括：

循環迭代進行所述縱向參考剖面規劃、三維軌跡預測、縱向參考剖面目標航程校正三個步驟，直至三維軌跡的航程損失低至滿足要求，得到以待飛距離為變量的且考慮傾側機動的三維參考軌跡，用于制導和速度控制；一次由縱向參考剖面規劃、三維軌跡預測、縱向參考剖面目標航程校正組成的迭代稱為一次規劃-預測-校正迭代。