基于NFTET的高超声速飞行器再入容错制导

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaOct．252015VoI．36No．103370．3381ISSN1000—6893CN11—1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．CRDOI：10．7527／S1000—6893．2015．0092基于NFTET的高超声速飞行器再入容错制导钱佳淞，齐瑞云*南京航空航天大学自动化学院，南京211106摘要：针对以X一33为对象的三自由度高超声速飞行器，采用相邻可行轨迹存在定理(NFTET)设计了容错制导律以解决再人段执行器发生故障的轨迹重构问题。在标称情况下采

2、用预测校正算法生成满足再人过程约束和终端约束要求的再入轨迹；当执行器发生故障时，飞行器气动参数、结构和舵面力矩都可能发生不可预测的变化，原先的轨迹不再满足制导要求，因此需要设计新型容错制导律。针对实际再入制导模型，基于NFTET设计容错制导算法对轨迹进行重构，得到满足故障情况下制导任务的可行轨迹。从仿真结果中可以看出，容错制导算法生成的新轨迹重新回到了约束范围之内，轨迹呈收敛趋势，使得高超声速飞行器从故障恢复到正常飞行状态，提高了飞行器的自主容错能力。关键词：高超声速飞行器；预测校正制导；容错制导；重构轨迹；相邻可行轨迹存在定理(NFTET)中图分类号：V249．1文献标识码：A文章

3、编号：1000—6893(2015)10—3370—12大气再人领域被视为广泛开展空间应用的基础，涉及行星探测、标本带回、成员与货物的空间运输、未来运载器与空天飞机的研制以及无人飞行器为在轨卫星提供服务，再入制导与控制问题一直为近年来航空航天领域的研究热点。高超声速飞行器是迄今为止飞行过程最为复杂的一种飞行器，特别是对于高超声速飞行器的再入阶段，需要在具有极大初始再入动能和势能条件下，将飞行器平稳安全地导引到既定的着陆区域，同时又使过载、动压和热流率处于允许范围内，这是高超声速飞行器再入段制导与控制设计面临的主要挑战，也是其区别于其他飞行器的显著特征。高超声速飞行器再入段具有以下几个

4、特点：太空域、跨声速、多阶段、非线性、强耦合、苛刻约束和严重不确定性等。高超声速飞行器再入制导问题，就是对这一段飞行过程进行制导控制，设计使其满足热流、过载和动压等过程约束的制导律，最终将高超声速飞行器平稳地引导至能量管理段(TAEM)。关于再入返回关键技术，比较典型的研究工作为美国NASA在1999年启动的以X一33为背景模型的先进制导与控制项目(AGC)，主要研究成果包括由马歇尔航天中心开发的线性二次调节器再人制导方法[1]，由爱荷华州立大学开发的准平衡滑翔制导方法[2‘4]，由加利福尼亚大学开发的演化的加速度制导方法[5。6]，以及由BarronAssociates公司开发的自

5、适应反演制导方法[71等。近年来，国内针对高超声速飞行器的再入制导问题也开展了不少卓有成效的研究工作，取得了重要的研究成果。文献[8—11]基于Gauss伪谱法或Legendre伪谱法将再入轨迹优化问题转化为非线性规划问题，求解了高超声速飞行器多约束条件下的再入收稿日期：2014—10—24；退修日期：2015-01-27；录用日期：2015—04一01；网络出版时间：2015—04—1308：36网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V20150413．0836002htmI基金项目：国家自然科学基金(61374116)；中央高校基本科研业务费专项

6、资金；南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金(kfjj201421)*通讯作者．Tel．：025—84892305·6061E-mail：ruiyun．qii@nuaa．edu．On弓l搠撂武；QianJS。oiRY．Fault-tolerantguidanceforreentryhypersonicflightvehiclesbased0／7NFTETE,-J2．ActaAeronauticaetAstro-nauticaSinica．2015．36(10)：3370．338I钱佳凇．齐瑞云基子NFTET的高超声速飞行器再入容错翻导￡Jj．航空学报．2015．36(10)

7、：3370—338{．钱佳淞等：基于NFTET的高超声速飞行器再人容错制导最优轨迹。文献E12]有效结合准平衡滑翔制导与解析预测制导方法，提出了一种全新的准平衡滑翔自适应制导方法。本文采用准平衡滑翔的预测校正制导方法求取高超声速飞行器再入标称轨迹。再入过程中，一旦高超声速飞行器发生故障，如控制面故障，往往会对飞行器产生所需控制力矩的能力带来破坏性的影响。这就要求在出现控制面失效和各种异常故障状态时，高超声速飞行器的制导与控制系统具有高度的自主容错能力，以满