基于匹配渐进展开的跳跃式再入解析预测-校正制导律设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug252015V01．36No．82764—2772ISSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn基于匹配渐进展开的跳跃式再入解析预测一校正制导律设计崔乃刚1’*，黄荣1，傅瑜2，韩鹏鑫31．哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨1500012．北京宇航系统工程研究所，北京1000763．中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京100076摘要：为

2、了适应低升阻比飞行器再入返回的大航程要求，针对大气跳跃再入飞行环境复杂并难以直接获得解析解的特点，基于匹配渐进展开法设计了一种跳跃式再人解析预测一校正制导方法。首先分析了低升阻比飞行器大气跳跃再入轨迹的飞行剖面和制导分段方法；然后分别推导了其运动方程以重力作用为主导的外解和以气动力作用为主导的内解的渐进展开形式，并通过匹配获得了统一的封闭解析表达式；接着基于此解析解实时预测飞行器的剩余航程，并通过不断迭代升阻比垂向分量以满足最后的落点精度；最后针对跳跃再入飞行的不同阶段设计了不同的制导策略以获得最终

3、的倾侧角指令。仿真结果表明采用跳跃式再人返回技术，阿波罗指令舱的航程能够达到8348km，而解析预测一校正制导律的落点精度为0．338km，证明了此方法的有效性。关键词：低升阻比；大气跳跃再人；匹配渐进展开；解析预测校正；制导中图分类号：V448文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)08—2764—09随着中国探月工程的逐步深入，2014年10月，探月工程三期再入返回飞行试验的返回器采用半弹道跳跃式再入返回技术，成功返回并着陆在内蒙古四子王旗回收区[1]。选择内陆地区为着陆区主要是因

4、为目前中国还不能全球布站，测控能力有限，且着陆场的约束较强，因此要求探月飞船必须具有较大的航程能力。对于低升阻比返回舱(例如：神舟飞船和嫦娥卫星)，要想执行长航程再人返回飞行任务，最好的方法就是采用跳跃式再人技术，即探测器在进人大气层后依靠气动力再次跃出大气层飞行一段时间后，第2次再入大气层并最终着陆[2]。由于再入返回过程速度大、航程长、高动态、姿态与弹道耦合强烈，这就要求飞行制导系统必须能够提供快速、精确的跳跃再人制导指令。大气跳跃冉人轨迹最初是为阿波罗登月任务设计的[3]，现在再次考虑将其用于

5、类似的低升阻比飞行器[4]。一个跳跃再人轨迹起始于再人点，具有较大的再入速度(近似第二宇宙速度)和较小的飞行路径角。进入大气层后，气动升力连续调整飞行速度矢量直至飞行器跳出稠密大气层。跳出大气层以后，飞行器进行开普勒飞行直至再次进入大气层。本文主要是通过规划大气跳出点的速度和飞行路径角来控制飞行器的总航程。再入过程中的倾侧角是唯一控制变量，它通过绕速度矢量旋转飞行器以改变气动升力的垂直收稿日期：2015-04．27；退修日期：2015—05．19；录用日期：2015—05—25；网络出版时间：201

6、5-06-0117：23网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．1929．V20150601．1724004html基金项目：国家自然科学基金(61403100)；中央高校基本科研业务费专项资金(HIT．NSRIF2015037)*通讯作者．Tel：0451—86412766E-mail：Cui—Naigang国163．com戮用榕武ICuiNG，HuangR，FuY，eta1．Designofanalyticalprediction—correctionskipe1)t

7、ryguidancelawbasedonmatchedasymptoticexpansionsfJj．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica。2015．36(8)：2764-2772崔乃嘲．黄荣，傅瑜．等基f匹配渐避展开的跳跃武再入解析预测一校正割导律设计[J]．航空学报，2015，36(8)：2764-2772．崔乃剐等：基于匹配渐进展开的跳跃式再入解析预测一校正制导律设计分量[5]。阿波罗再人制导系统采用闭环轨迹解预测跳出点速度和路径角，使用的方程为非线性运动方程

8、的简化近似。总航程通过拼接初始大气跳跃段、开普勒段和再次进入大气段的估计航程获得，当预测航程等于剩余航程时再调整倾侧角。尽管事实证明了阿波罗再入制导方法的成功性，但其航程预测能力有限(最大为4630km，对应41。航程角)[6]。针对新型低升阻比飞行器的设计目标(包括扩展、中止和其他意外情况下的航程能力)，Bairstow[⋯、Brunner和Lu[8]开发了数值积分预测制导方法，通过数值积分使整个非线性运动方程组向前推进跳跃轨迹，并通过迭代方式对倾侧角进行调整直至预