基于非线性模型预测控制算法的亚轨道再入轨迹优化

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1、第46卷第4期2014年8月南京航空航天大学JournalofNanjingUniversityofAeronautics学&A报stronautlcsV01．46No．4Aug．2014基于非线性模型预测控制算法的亚轨道再入轨迹优化徐晓东1’2黄一敏(1．南京航空航天大学自动化学院，南京，210016；2．南京航空航天大学无人机研究院，南京，210016)摘要：针对升力式飞行器再入终端需要满足窗口约束条件的情况，提出了一种基于模型预测算法的再入轨迹优化方法。该方法利用预测模型和滚动优化策略将非线性多约束优化问题转化为线性优

2、化目标函数，并采用二次规划法求解该轨迹优化问题，得到了满足相应约束的亚轨道再入轨道。以某升力式再入飞行器为对象进行了纵向轨迹优化计算，仿真结果验证了该轨迹优化方法具有较高的精度和计算效率。关键词：轨迹优化；模型预测控制；终端约束；亚轨道再入中图分类号：V448；V249文献标志码：A文章编号：1005-2615(2014)04—0552—06TrajectoryOptimizationforSuborbitalReentryBasedonNonlinearModelPredictionXuXiaodon91“，HuangYi

3、minl(1．CollegeofAutomationEngineering，NanjingUniversityofAeronautics＆Astronautic，Nanjing，210016，China；2。ResearchInstituteofUnmannedAerialVehicle，NanjingUniversityofAeronautics＆Astronautics，Nanjing，210016，China)Abstract：Arapidreentrytrajectoryplanningmethodbasedonno

4、nlinearmodelpredictiontheoryisstud—ledforthenewliftingreentryvehiclewithmanyconstraints．Sincetheliftingreentrycharactersandmissionrequiresneedtosatisfystrongterminalconstraints，thenonlinearpredictivemodelandtherece—dingoptimizationschemeareusedtoconvertthenonlinear

5、optimizationintothelinearoptimizationob—jection，andaquadraticprogrammingisusedtosolveit．Thesimulationresultsshowthattheproposedmethodcangenerateahighprecisionreentrytrajectorywithstrongterminalconstraints．Keywords：trajectoryoptimization；modelpredictivecontrol；termi

6、nalconstraint；suborbitalreentry与传统的弹道式再人飞行器相比，升力式再入飞行器具有较大的升阻比和机动飞行能力，且飞行速度快、飞行空域大、飞行环境复杂，并面临热流、动压、过载等多种约束，再入走廊狭窄。飞行环境的复杂性和问题本身的非线性使得升力式飞行器再入段轨迹优化成为总体设计的难点，已有学者采用多种优化方法对再入轨迹优化问题进行了研究。目前，解决轨迹优化问题的方法主要有解析法和数值解法[1]。解析法对于简单线性系统比较有效，复杂非线性问题则常采用数值解法，其主要包括直接法和间接法两类【2]。文献[

7、3]利用极大值原理，将月球燃料最优软着陆问题转化为终端时间自由型两点边值问题，并采用摄动法进行了求解。文献[4]应用序列二次规划法求解了最大射程弹道。文献[5]利用直接配点法求解了再人飞行器三维轨迹的最优化问题。文献[6]利用Guass—Legendre伪谱法对再入飞行器的轨迹进行了优化。文献[7～8]利用直接法解决了升力式再人飞行器多约束情况下的最大末速度、最大横程等问题。但是以上文献并未考虑所规划轨迹终端具有强约束的情况。而对于再入任务复杂、再入轨迹终端约束严格的新型再人攻击飞行器，考虑轨迹终端的强约束情收稿日期：201

8、3—02—17；修订日期：2014—03—16通信作者：徐晓东，男，博士研究生，助理研究员，E-mail：xdxu@nuaa．edu．ca。第4期徐晓东，等：基于非线性模型预测控制算法的亚轨道再入轨迹优化553况十分必要[9。⋯。模型预测控制(Modelpredictivecontrol，