[发明专利]一种基于滑模控制理论的RLV着陆段制导律获取方法

说明书

一种基于滑模控制理论的RLV着陆段制导律获取方法，首先根据RLV着陆段标称轨迹计算高度偏差及侧向距离偏差；然后，根据标称轨迹的跟踪偏差选取合适的滑模面，并将RLV三自由度动力学方程等价转化为由滑模面描述的形式；最后，采用李雅普诺夫方法设计制导律。设计过程中，通过分析气动数据，得到制导回路的不确定性上界，并引入补偿项对其进行抑制，使制导系统对扰动等不确定性具有渐近稳定性。本发明方法能够有效的克服RLV制导系统所受不确定性的影响，从而提高制导精度；通过引入滑模控制方法，将原二阶系统等价转化为一阶系统，使设计过程更加直观。

技术领域

本发明涉及一种基于滑模控制理论的RLV着陆段制导律获取方法。

背景技术

可重复使用飞行器(Reusable launch vehicles，RLV)是一种空天往返飞行器，兼有航天器和航空器的特点和功能，即可在轨停留完成各种空间任务，也可像飞机一样安全准确地返回地面。由于具有可重复使用的特点，RLV将成为人类廉价探索宇宙的高可靠运载工具和争夺制天权的军事武器。因此，世界各主要强国不断在它的研制方面投入巨大力量，进行新的研究与探索。

RLV的返回再入段通常分为初期再入段、末端能量管理段和进场着陆段，其中进场着陆段对制导和控制精度的要求最高，而无动力滑翔的飞行方式又使其不具备复飞能力，若制导或控制方法出现失稳现象或不能满足精度要求，可能会造成RLV无法安全着陆，甚至导致灾难性的后果。在着陆过程中，气动数据、大气密度的不确定性，以及风等外来扰动均对RLV的飞行造成影响，因此所使用的制导律必须对这些不确定性或扰动具有较强的鲁棒性，从而提高着陆成功率。现代非线性控制方法中，滑模控制理论可对高阶系统进行降阶，控制律设计过程简洁、直观，同时也具有较强鲁棒性，可为RLV着陆段制导律的设计提供新的思路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种RLV着陆段制导律获取方法，充分考虑了着陆过程中飞行器本身及外来的不确定性和扰动，利用滑模控制理论设计了制导律，设计过程中引入扰动和不确定性的补偿项，使制导律具有鲁棒性，根据李雅普诺夫方法和滑模面对应的指数函数收敛速度及范围要求确定控制参数，使着陆标称轨迹的跟踪误差具有渐近收敛性。

本发明所采用的技术解决方案是：一种基于滑模控制理论的RLV着陆段制导律获取方法，包括如下步骤：

1)根据获取的RLV的当前高度、RLV距机场跑道的侧向距离以及预设的RLV着陆标称轨迹，计算获得RLV的高度偏差和侧向偏差；

2)根据RLV着陆标称轨迹和RLV质点运动学方程，建立着陆标称轨迹跟踪误差微分方程；

3)确定高度通道和侧向通道的滑模面；

4)在RLV着陆标称轨迹上选取N个特征点，在每个特征点上根据飞行器的标称气动系数和标称飞行状态计算获得标称升力，并分别计算每个特征点的升力不确定性和不确定性上界；

5)根据RLV质点动力学方程、步骤2)中着陆标称轨迹跟踪误差微分方程，以及步骤3)中所选取的滑模面，获得关于高度通道的滑模面s₁和侧向通道的滑模面s₂的微分方程；

6)建立虚拟制导律；

7)利用饱和函数代替步骤6)中虚拟制导律中的sgn函数；

8)计算获得期望的升力和期望的倾侧角，并根据期望的升力、标称气动数据及当前飞行状态反插值获得期望的攻角；

9)将步骤8)获得的期望的攻角和期望的倾侧角作为最终制导律，实现RLV对着陆标称轨迹的跟踪。