高超声速飞行器故障下的再入轨迹在线重构与姿态容错控制研究

This project proposes an integrated trajectory online reshaping, fault-tolerant guidance (FTG) and attitude fault-tolerant control (FTC) scheme for reentry hypersonic vehicles (HSVs) under control surface faults, in order to enhance the fault-tolerant capability of reentry HSVs to the greatest extend. We will explore a systematic method to represent the effects of faults and propose new fast and reliable methods for reentry trajectory online reshaping and optimization. We will investigate the variation of the flight model parameters and structure, including system order, coupling, relative degree, minimum phase property, infinite zero structure and high frequency gain matrix uncertainties, etc, and develop innovative multi-variable nonlinear fault-tolerant control theory and methods. The intersection of trajectory reshaping, FTG and FTC under control surface faults will be studied, based on which a novel and efficient coupling reconfiguration algorithm for guidance and attitude control laws will be designed. We will also study a fusion control method for RCS and aerodynamic surfaces, effectively allocating RCS to compensate the insufficiency of aerodynamic surface control effect under faults. We will establish the key properties of the closed-loop system under the proposed integrated trajectory reshaping, FTG and FTC scheme, including its stability, tracking performance and robustness. The project aims at the international frontier and its results will provide an important theoretical foundation and key technology accumulation for ensuring the safe flight and landing of reentry HSVs under faults.

针对再入段高超声速飞行器（HSV）发生控制舵面故障等异常情况，研究轨迹在线重构、容错制导（FTG）与姿态容错控制（FTC）的集成设计方案，以最大程度增强HSV的容错能力。探索系统性地描述故障影响的方法，提出快速可靠的新型再入轨迹在线重构与优化方法。分析故障对HSV模型参数和结构的影响（包括系统阶次、耦合方式、相对阶、最小相位性质、关联矩阵、高频增益矩阵等），创新性地发展多变量非线性系统的容错控制理论与方法。研究故障下轨迹重构、FTG和FTC的相互作用，在此基础上提出新颖高效的制导律和姿态控制律的耦合重构算法。研究RCS和气动舵面的融合控制新方法，利用RCS补偿气动舵面故障后控制能力的不足。给出轨迹重构、FTG和FTC共同作用下闭环系统的稳定性、追踪性能、鲁棒性等关键性质。 本项目瞄准国际前沿领域，研究成果将为保证故障下HSV再入段的安全飞行与着陆提供重要的理论支撑和关键技术积累。

高超声速飞行器（HSV）再入段的制导与控制问题是国际航空航天领域的前沿与热点问题，也是我国航空航天领域的重大战略需求之一。本项目针对HSV再入段发生舵面故障的情况，研究其轨迹重构、容错制导与姿态容错控制的设计方法，以最大程度地增强HSV再入段的安全性和可靠性，主要研究内容与重要结果如下：.(1) 研究舵面故障对HSV气动特性的影响，建立HSV舵面故障模型，提出自适应状态反馈和输出反馈容错方法，能够在未知故障发生时间、模式和大小的情况下自适应调整健康舵面的输出补偿故障舵面对系统稳定性和追踪性能的影响。.(2) 针对再入初始段大气密度低导致气动舵面产生的气动力不足无法完成姿态控制任务的情况，提出两种气动舵面和RCS的融合控制方案（一种基于Backstepping和混合整型规划算法，另一种基于滑模控制和模糊逻辑分配）对气动舵面和RCS进行协调分配，考虑RCS的离散特性，基于量化控制理论进行稳定性分析，所提出的融合控制方案能够有效处理多种舵面故障同时发生时的容错控制问题。.(3) 考虑离线优化轨迹无法满足故障下的任务要求，针对较小故障基于相邻可行轨迹存在定理(NFTET)在线重构满足过程约束和终端约束的再入轨迹；针对较大故障设计多变量鲁棒在线轨迹重构算法，有效解决HSV故障下的安全再入轨迹重构问题；利用改进的网格细化技术为故障下的轨迹优化提供初值猜想，基于最优反馈控制思想进行在线轨迹优化，所提出的方法具有较高的收敛速度和制导精度。.(4) 深入研究HSV质心运动和绕质心运动之间的耦合关系，建立集成度更高的制导控制系统耦合模型，考虑舵面故障和系统不确定性，进行再入容错制导控制一体化设计，解决制导和姿态控制分离设计带来的不匹配以及无法充分利用控制效力的问题，给出制导控制一体化容错方案下下闭环系统的稳定性、追踪性能、鲁棒性等关键性质。.本项目创新性地发展了针对复杂非线性系统的容错控制理论与方法，能够为我国研制更高安全性和可靠性的高超声速飞行器提供重要的理论支撑和技术积累。