基于高精度纵、横程解析预测方法的平稳滑翔再入制导律的制作方法
【专利摘要】基于高精度纵、横程解析预测方法的平稳滑翔再入制导律，该方法有三大步骤：步骤1：规划快速下降段的制导方案；步骤2：规划平稳滑翔段的制导方案；步骤3：规划弹道下压段的制导方案；基于能量的纵向射程、横向射程和航向角的解析解，求解解析解的具体步骤如下：步骤1：建立飞行器再入问题的运动方程；步骤2：建立再入问题的过程约束和终端约束；步骤3：引入广义赤道和广义子午线；步骤4：运动方程线性化；步骤5：求解解析解；步骤6：验证上述解析解可行性。此制导方法能够导引飞行器飞行到距离目标一定距离的指定高度，并能够满足相应的过程约束，末速度约束和方位角误差约束，具有很好的鲁棒性。
【专利说明】基于高精度纵、横程解析预测方法的平稳滑翔再入制导律
【技术领域】
[0001]本发明属于航天技术、高超声速飞行器再入制导【技术领域】，涉及一种基于高精度纵、横程解析预测方法的平稳滑翔再入制导律，尤其涉及一种新的基于能量-纵程及能量-横程高精度解析预测方法的通用飞行器(CAV)的平稳滑翔再入制导方法。具体给出能满足过程约束，终端的速度、高度、航向角误差和射程约束要求的再入制导方法。
【背景技术】
[0002]通用飞行器(CAV)是一种高超声速飞行器，它通过运载火箭或者弹道导弹助推到亚轨道，之后再入到大气层中无动力飞行。CAV的飞行过程可以大致分成两个阶段:再入滑翔段和末端制导段。CAV与运载器分离之后，开始再入滑翔段，CAV在再入过程中需要在满足热流率约束、动压约束和过载约束等过程约束的前提下，进行横向机动，一直飞行到距离目标一定距离和高度时，进入末制导段。
[0003]飞行器再入制导有两种形式:跟踪参考轨迹和预测校正制导。航天飞机再入制导是典型的参考轨迹跟踪制导，航天飞机再入飞行前先设计一个阻力-速度参考剖面来满足射程要求，其在实际飞行中通过调节倾侧角来跟踪阻力-速度参考剖面。当航向角误差超过预先设计的误差门限曲线时，通过倾侧角翻转来实现横向射程控制。另一种形式的再入制导方法是预测校正制导，是以消除实际轨道的预报落点和预定落点位置之间的偏差为目的的制导方法。关于高超声速飞行器滑翔再入问题，还有很多研究给出解析形式的结果，这些结果大多假定升阻比和弹道倾角为常数，或为某些系数的函数形式，并忽略地球曲率的影响。
【发明内容】
[0004]1、目的:本发明给出了一种新的基于能量-纵程及能量-横程高精度解析预测方法的通用飞行器(CAV)的平稳滑翔再入制导方法，是一种高超声速飞行器的再入制导方法。在推导过程中，通过将升阻比L/D和倾侧角设计成与能量有关的函数，并利用线性化方法得到一种特殊类型的变系数线性系统。为求解此系统，提出一种新的基于谱分解的求解方法，然后根据此求解方法得到飞行器再入飞行射程、横向射程和航向角的解析解。随后基于这些解析解，给出新的再入制导方法，此制导方法能够导引飞行器飞行到距离目标一定距离的指定高度，并能够满足相应的过程约束，末速度约束和方位角误差约束，具有很好的鲁棒性。
[0005]2、技术方案:在给出本发明的制导方法前，对于高超声速飞行器再入飞行问题，本发明给出一种新的基于能量的纵向射程、横向射程和航向角的解析解，求解解析解的具体步骤如下:
[0006]步骤1:建立飞行器再入问题的运动方程；
[0007]如附图1所示，在推导飞行器运动方程之前，首先定义两个坐标系。
[0008]地心赤道旋转(GER)坐标系:坐标系原点在地心，Ze轴指向北极;xe和Ye轴是赤道平面内相互垂直的两条轴线。GER坐标系以Ze为中心，以与地球自转角速度相同的角速度旋转，地球自转角速度Qe为7.292116Xl(T5rad/s。
[0009]当地北东下(NED)坐标系:坐标系原点ο为飞行器质心M和地心连线与地球表面的交点，即飞行器在地面的垂直投影点轴指向当地的北向，y轴指向当地的东向，z轴铅垂向下。
[0010]由于大气可以认为是相对地球静止的，选择在GER坐标系中处理再入问题较合适。将再入飞行器看作质点，在球形地球模型下，飞行器运动方程为
【权利要求】
1.基于高精度纵、横程解析预测方法的平稳滑翔再入制导律，其特征在于:该方法具体步骤如下: 步骤1:规划快速下降段的制导方案； CAV在与运载器分离之后进入无动力滑翔状态，开始进入快速下降段，直到开始满足平稳滑翔条件即SGC时结束；在这一段，由于大气密度P非常小，飞行器快速下降，高度快速降低；随着高度下降，大气密度升高，飞行器的热流率急剧升高，而最大热流率大致出现在这段的结束；为了能满足热流率约束，设计此段飞行器飞行时保持最大攻角(amax)并保持倾侧角为O，这样使得在下降段飞行的更高，从而降低热流率；当f 20时，说明此时开始升力已经足够大，满足平稳滑翔条件；为保证飞行器能从DP平滑转移到SGP，下式(88)给出攻角方案，指令攻角和倾侧角为
2.根据权利要求1所述的基于高精度纵、横程解析预测方法的平稳滑翔再入制导律，其特征在于:求解解析解的具体步骤如下: 步骤1:建立飞行器再入问题的运动方程； 首先定义两个坐标系， 地心赤道旋转即GER坐标系:坐标系原点在地心，％轴指向北极；^和轴是赤道平面内相互垂直的两条轴线；GER坐标系以％为中心，以与地球自转角速度相同的角速度旋转，地球自转角速度Qe为7.292116Xl(T5rad/s ; 当地北东下即NED坐标系:坐标系原点ο为飞行器质心M和地心连线与地球表面的交点，即飞行器在地面的垂直投影点轴指向当地的北向，y轴指向当地的东向，z轴铅垂向下； 由于大气认为是相对地球静止的，选择在GER坐标系中处理再入问题较合适；将再入飞行器看作质点，在球形地球模型下，飞行器运动方程为
【文档编号】G05B13/04GK104035335SQ201410228163
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】陈万春, 余文斌, 洪功名 申请人:北京航空航天大学