高超声速飞行器实时再入轨迹与姿态协调控制策略研究

In order to achieve the autonomous,secure and stable reentry flight,a coordination control strategy for real-time reentry trajectory and attitude is investigated. Firstly,considering the effects of heating rate,dynamic pressure and load constraints on the reentry trajectory,the strategy for real-time reentry trajectory optimization is studided based on adaptive Legendre pseudospectral method,which provides the on-line reentry trajectory for guidance system. Secondly,the reentry guidance law is designed via indirect Legendre pseudospectral method to track the real-trajectory despite of the effects of initial reentry disturbance and aerodynamic parameter uncertainties. Thirdly,considering the influence of model parameter uncertainties and external disturbance on reentry attitude,the synthesis of high order sliding mode controller and observer is discussed.The proposed control strategy can achieve fast tracking for the guidance command with high accuracy in given convergent time. Finally，the integrated guidance and control system is established through systhesizing the on-line reentry trajectory, reentry guidance law and attitude control.Then the coordination control for real-time reentry trajectory and attitude under the effect of multi-constraints,uncertainties as well as external disturbances is achieved based on the integrated guidance and control system. Furthermore,the real-time, robustness and dynamics are verified via the dSPACE platform.

以实现高超声速飞行器自主、安全、稳定再入飞行为目的，对实时再入轨迹与姿态协调控制策略进行研究。首先，考虑热流、动压及过载等路径约束对再入轨迹的影响，研究基于自适应Legendre伪谱法的实时再入轨迹求解方法，实现轨迹的在线规划，为制导系统提供实时再入轨迹；其次，考虑气动参数不确定和初始再入扰动对再入制导性能的影响，研究基于间接Legendre伪谱法的在线轨迹跟踪控制策略，完成再入制导律设计，为姿态控制系统提供可行的制导指令；再次，考虑模型参数不确定和外界干扰对再入姿态控制性能的影响，研究基于高阶滑模控制器-观测器综合的设计方法，在给定时间内，实现对制导指令的高精度快速跟踪；最后，对轨迹在线规划、再入制导及姿态控制模块进行综合，构建制导控制一体化系统，实现多约束、不确定及外界干扰综合影响下的实时再入轨迹与姿态协调控制，并基于dSPACE仿真平台，完成一体化系统的实时性、鲁棒性和动态性测试。

高超声速再入飞行器是当前航空航天领域研究的重点和热点问题。本课题以实现高超声速飞行器自主、安全、稳定再入飞行为目的，对实时再入轨迹与姿态协调控制问题进行研究。主要研究内容包括以下几个方面：首先，考虑热流、动压及过载等路径约束对再入轨迹的影响，研究基于自适应伪谱法的实时再入轨迹求解方法，实现轨迹的在线设计，为制导系统提供实时再入轨迹；其次，考虑气动参数不确定和初始再入扰动对再入制导性能的影响，研究基于间接伪谱法的在线轨迹跟踪控制策略，完成再入制导律设计，为姿态控制系统提供可行的制导指令；再次，考虑模型参数不确定和外界干扰对再入姿态控制性能的影响，研究基于高阶滑模控制器-观测器综合的设计方法，在给定时间内，实现对制导指令的高精度快速跟踪；最后，对轨迹在线规划、再入制导及姿态控制模块进行综合，构建制导控制一体化系统，实现多约束、不确定及外界干扰综合影响下的实时再入轨迹与姿态协调控制，并基于dSPACE 仿真平台，完成一体化系统的实时性、鲁棒性和动态性测。通过该课题研究获得的主要结果体现在以下几个方面：（1）完成了基于伪谱法的实时再入轨迹设计，每条轨迹生成时间平均为0.6秒，有效改善了系统的自适应能力；（2）完成了基于间接伪谱法的再入制导律设计，制导系统对气动参数不确定和初始再入扰动表现出良好的抗干扰能力，有效提高了系统的鲁棒性；（3）提出了用于实现给定时间收敛的高阶滑模控制器设计方法，并分别以收敛时间为2秒、5秒和10秒情形下的姿态控制问题为例，进行了仿真测试，验证了方案的有效性；（4）在上述研究基础上，搭建了高超声速再入飞行器的虚拟仿真平台，实现了系统不确定和外界干扰综合影响下的实时轨迹与姿态的协调控制。基于上述研究成果，发表学术论文25篇，其中SCI检索17篇，EI检索8篇，完成了预期目标。课题研究成果，对其他类型飞行器，如导弹，卫星及无人机的研制具有重要的理论意义与实际意义。