火星变体飞行器进入着陆智能自适应制导研究

At present, the Mars exploration uses the field exploration technology of the lander and the rover, but its area of activity is very small. The new type of lift type Mars rover, which uses variant flight inspection technique, can realize high resolution detection in large range flight. The Mars atmosphere is thin and the Reynolds number is low, the Martian environment complex. Lifting aircraft will undergo hypersonic, high-speed and low speed flight from entry, patrol to landing, and the state of flight environment is large. The aircraft uses variant design to improve the flight capacity and also increases the uncertainty and time variability of the aircraft model. How to solve the variable lift variant of Mars spacecraft adaptive flight environment is complex, is a challenge to the guidance and control system. This project is based on real-time state aware intelligent modeling method, and automatically acquire guidance and control model with optimal complexity for the whole reentry and landing process. On this basis, aiming at the uncertainty of model parameters and environmental disturbance during reentry and landing flight, an intelligent adaptive guidance and control method for reentry and landing flight under complex environment is studied.

目前，火星探测采用着陆器和漫游车的现场勘查技术，但其活动区域非常小。新型变体飞行巡视探测技术，可实现大范围飞行高分辨率探测，具有独特的技术优势。火星大气稀薄、雷诺数低，环境复杂多变。飞行器从进入、巡视飞行到着陆全过程，将依次经历高超声速、高速和低速飞行，飞行环境状态跨度大。飞行器采用变体设计来提升飞行能力，同时也增加了飞行器模型的不确定性和时变性。如何解决复杂时变环境下变体火星飞行器自适应飞行问题，对制导控制系统提出了挑战。本项目拟基于实时状态感知的智能建模方法，自动获取整个再入着陆飞行过程的具有最优复杂度的制导控制模型。在此基础上，针对再入着陆飞行过程中模型参数变化和环境干扰不确定性，研究一种复杂环境下再入着陆飞行智能自适应制导控制方法。

火星飞行器从进入、巡视飞行到着陆全过程，将依次经历高超声速、高速和低速飞行，飞行环境比较复杂，状态跨度大。升力式火星飞行器采用变体设计来提升飞行能力，同时也增加了飞行器模型的不确定性和时变性。传统的小升阻比火星探测器，弹道升力式/弹道式进入、降落伞减速下降和最后动力着陆采用的制导控制方法，无法适用于升力式火星变体飞行器进入、巡视飞行到着陆过程的制导控制。为了国家火星探测飞行器的研究发展，满足航天事业对新型高性能飞行器的期望，本项目研究复杂环境下升力式火星变体飞行器再入、巡视与着陆飞行自适应制导控制方法，研究内容主要包括：. 1、一类具有快时变、参数不确定性和强非线性的火星进入自适应制导方法 . 2、火星升力式变体飞行器的飞行巡视制导设计方法 . 3、火星升力式飞行器高精度定点着陆复合制导设计方法 . 目前，已完成全部研究内容，并取得了如下的研究成果：. 1、给出了基于自适应伪谱法的快速寻优的升力式飞行器进入制导方法，得到性能指标最优的进入轨迹，提出了一种实时解析构造的升力式飞行器再入制导方法,基于阻力加速度调整对航程的影响，解析构造了面向再入制导设计的控制模型,并设计了闭环制导律。. 2、给出了基于有限时间控制的两种有限时间滑翔制导方法，并确定了变体飞行过程升阻特性，提出了一种基于高斯伪谱法的变体巡视飞行轨迹优化制导方法，使用全局插值多项式实现快速轨迹规划,提出了一种航向角搜索的在线轨迹生成的预测校正复合制导技术，自主实现在线轨迹的生成和航程预测，设计了复合制导律。. 3、提出了更具一般性的二阶系统状态反馈控制器，将火星飞行器下降段制导问题归纳为典型二阶系统的有限时间收敛问题，在此基础上结合工程应用中飞行器控制能力受限的问题，给出了考虑输入饱和的下降段制导方法。. 本项目相关成果可为我国火星探测飞行器的研制提供重要技术储备，也可应用于其它飞行器的制导控制。