基于轨迹线性化控制的再入轨迹跟踪制导

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1、2015年11月北京航空航天大学学报November2015第41卷第11期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．11http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．caDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0424基于轨迹线性化控制的再入轨迹跟踪制导沈作军8，朱国栋(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：针对高超声速飞行器再入制导问题，提出了一种基于

2、轨迹线性化控制(TLC)方法的轨迹跟踪制导律．利用再入飞行器动力学固有时间尺度分离的特点，通过外环路和内环路的设计分别对高度和速度进行控制．轨迹倾角被用作外环路的虚拟控制量来控制高度；倾侧角和迎角用于在内环路跟踪轨迹倾角指令和速度．在反馈回路通过设计线性时变控制器对误差动态进行镇定．反馈增益可在线计算并能符号化地表示为参考轨迹的函数，从而避免了增益插值调度和可能需要的模式切换．大量仿真结果表明：TLC可以实现轨迹的精确跟踪且控制参数对不同参考轨迹的依赖性很小；TLC与基于轨迹在线生成的制导方法的结合可以显著提高再入

3、制导的自主性和适应性．关键词：轨迹线性化控制(TLC)；再入飞行；轨迹跟踪制导；时间尺度分离；非线性控制中图分类号：V448．235文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)11-1975-08再人制导是指通过在线产生指令引导具有一定升力能力的再入飞行器从当前状态安全到达指定终端状态的过程¨1．再入制导的核心是通过有效控制耗散能量，并满足过程物理约束和终端状态约束．飞行器一般为无动力再入，必须一次成功；同时要求制导律能够适应初始再入状态、气动、风场等方面的不确定性及可能的任务改变、终止或控制能力减弱的情

4、形．再入制导中的一类重要算法是轨迹跟踪制导，包括参考轨迹设计和轨迹跟踪两部分．制导律通过比较当前状态和参考轨迹之间的偏差产生迎角和倾侧角指令．轨迹跟踪制导以航天飞机的再人制导律为典型代表旧1．航天飞机制导律设计包括参考阻力加速度剖面设计和在线的参考剖面跟踪．规划阻力参考剖面时主要考虑到纵程要求和满足过程约束．但实际上在规划时往往耗时耗力，参数需要反复试凑，在实际飞行和地面任务设计相差较大时，飞行器甚至可能无法安全返回．为了提高再人制导的自主性和适应性，近年来专家学者们提出了多种再人参考轨迹的在线生成方法．文献[3]

5、利用“拟平衡滑翔条件”将过程约束转换为对速度滚转角的约束，将非线性轨迹规划问题转化为顺序进行两次单参数搜索问题，能够快速生成满足所有约束条件的三自由度轨迹．文献[4]研究了最优阻力加速度剖面的在线生成方法，避免了地面的离线规划．文献[5]提出了在阻力加速度剖面规划参考轨迹，同时考虑到纵程和横程要求的轨迹快速生成算法．一旦在线参考轨迹生成，需要研究如何实现对参考轨迹的收稿日期：2014-07．17；录用日期：2014，10-17；网络出版时间：2015-02-1316：23网络出版地址：WWW．cnki．net／kc

6、ms／detail／11．2625．V．20150213．1623．001．html基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(YwF一14一HKXY_011)*通讯作者：沈作军(1968一)，男，湖北荆州人，教授，shenzuojun@buaa．edu．cn，主要研究方向为制导技术与飞行控制、轨迹优化引用格式：沈作军，朱目栋．基于轨迹线性化控制的再入轨迹跟踪制导fJJ．北京航空航天大学学报，2015，41(11)：1975—1982．ShenZJ．ZhuGD．TrajectorylineaJ_izationcont

7、rolbasedtrackingguidancedesignforentryf_Tightlj1．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(11)：1975-1982(inChinese)．1976北京航空航天大学学报2015年精确跟踪．应用于航天飞机阻力剖面跟踪的反馈线性化方法是轨迹跟踪的基准控制算法．文献[6]给出了一种近似反馈线性化方法，对三维轨迹的跟踪转换为对横程和纵程的跟踪，但仅对无拉偏的理想情况做了分析；反馈线性化方法在

8、模型存在较大不确定性时(如验证飞行时)，非线性项无法进行精确对消，控制性能将变差甚至可能失稳．线性二次型调节器(LinearQuadraticRegu—lator，LQR)控制由于反馈增益可以采用误差状态的线性反馈控制律构成最优闭环，设计时能够考虑允许的状态偏差和控制量偏差等多个指标，在参数不确定的情况下闭环系统也具有一定鲁棒性，在多人多出系统的控制方面获得