探月飞船跳跃式返回再入预测-校正制导方法研究

Skip reentry is an essential technique for some deep space exploration missions, such as lunar or Mars sampling and return, manned lunar mission. The task of the guidance subsystem of the return capsule is to control a high dynamic, fast time-varying vehicle which is subjected to intricately dynamical and thermodynamic environment. The technique is theoretically complicated and difficultly implemented. This project intends to investigate some of the crucial issues of the skip reentry predictor-corrector guidance method. .The energy variation characteristic of the reentry capsule will be studied firstly, for it is a key element to understand the motion regularity of the capsule and the basis of designing the bank angle profile for reentry trajectory prediction. A fast numerical predictor-corrector guidance algorithm aided by analytical solution will be explored secondly. The analytical and numerical method will be synthetically used to avoid the time-consuming computation and poor robustness disadvantage of the numerical algorithm. Bank angle sign reversion occurred in lateral guidance procedure could introduce coupling between longitudinal and lateral guidance channel, so a new lateral guidance law will be investigated to promise high terminal precision of cross range. Finally, two crucial problems, parameter integrated identification of aerodynamic coefficients and atmospheric density and energy management of initial reentry descending phase, will be explored to enhance the precision and robustness of the guidance algorithm..The study of the project can technically supports deep space return and reentry missions of our country, as well as giving a reference to the hypersonic aircraft guidance problem.

跳跃式返回再入技术是开展月球、火星取样返回，载人登月等深空探测任务必不可少的技术手段，属于高动态、快时变、复杂力学与热学环境下的运动体控制问题，理论性强，技术难度大。本项目将针对其预测-校正制导算法中的若干关键问题开展研究。.飞船再入过程中的能量变化规律是深刻把握飞船运动特性的关键，也是确定制导算法中最优倾侧角剖面的前提，因此项目首先对此开展研究；其次研究解析计算辅助下的快速数值预测-校正制导算法，综合解析法与数值法的优势，改进纯数值预测-校正计算量大、鲁棒性差的不足；再者，研究考虑飞船滚转动态特性的侧向制导算法，解决由于倾侧角符号翻转引起的纵向与侧向通道耦合问题；最后，研究飞船气动系数和大气密度参数联合辨识、初次再入下降段的能量管理等关键问题，提高制导算法的精度和鲁棒性。.项目研究能为我国开展深空探测返回再入任务提供理论基础和技术支持，也可为高超声速飞行器制导问题提供借鉴。

跳跃式返回再入主要应用于月球、火星取样返回，载人登月等深空探测任务，属于高动态、快时变、复杂力学与热学环境下的运动体控制问题。本项目主要针对跳跃式再入预测-校正制导算法开展研究，包括：飞船再入过程中能量变化规律分析，解析计算辅助下的快速数值预测-校正制导算法，考虑飞船滚转动态特性的侧向制导算法，飞船气动系数和大气密度参数联合辨识，初次再入下降段的能量管理方法等关键问题。.项目的主要研究进展为：.(1) 建立了飞船的六自由度运动模型，设计了飞船的姿态控制方法；考虑航程、过载、跃起点高度、倾侧角幅值等约束条件，设计了满足要求的标准弹道；考虑初始条件、大气密度、气动系数等误差因素，分析了跃起点能量的变化规律，发现跃起点机械能是决定后续弹道特性的关键参数。.(2) 基于飞行器再入运动方程的Loh二阶解析解，分析了飞船的速度、当地速度倾角随高度的变化规律，设计了拟合公式；设计了解析计算辅助下的快速数值预测-校正制导算法，根据再入点的偏差在线解析拟合标准轨迹，与预测-校正制导算法组合，快速得到制导指令。.(3) 分析了再入过程中纵横向耦合的原因，侧向采用预测制导方案时，提出了预报动态翻转过程、推迟预报开始时刻两种侧向制导改进策略；侧向采用漏斗控制方案时，从受力分解的角度详细分析了飞船侧向运动的规律，提出了一次再入控制出口横程变化率、二次再入控制横程的拼接漏斗控制方案。.(4) 采用低通滤波器，设计了气动系数误差与大气密度误差联合辨识的在线辨识策略，提高了制导的精度；针对大气密度误差为非常值偏差的情况，设计了按常值误差辨识、一次再入下降段不辨识仅建立误差模型、一次再入下降段按常值辨识并建立模型三种辨识策略，得到第三种策略效果最佳的结论。.(5) 将一次再入段分为初始再入段、能量管理段和跃起过渡段，分析了各阶段的运动特性；根据能量耗散方程设计了能量管理策略，控制飞船的能量耗散速率和能量耗散量，并实时预估跃起点处的能量值，确定退出能量管理的时机，得到了考虑飞船能量管理的再入制导律。.综合运用本项目所提的各种策略，可达到纵程误差小于8km，横程误差小于3km的开伞点精度。.本项目研究过程中，共发表学术论文7篇，其中SCI检索3篇，EI检索3篇，申请专利2项，授权1项。通过本项目的研究，加深了对跳跃式返回再入运动特性的掌握，提高了制导算法的精度和鲁棒性，能为我国开展相关任务提供理论基础和