[发明专利]一种基于椭圆轨迹的空天飞行器着陆段在线制导方法

说明书

本发明公开一种基于椭圆轨迹的空天飞行器着陆段在线制导方法，该方法根据飞行器的飞行任务确定终端窗口，通过弹上测量装置得到飞行器实时的飞行状态，利用飞行状态信息与着陆点位置、着陆速度信息计算符合飞行约束的椭圆轨迹，计算当前所需法向加速度及轴向加速度，再用数值计算的方法解算飞行器实时的制导指令。本发明突破传统方法对飞行器建模精度的依赖，利用实时飞行器飞行状态生成制导指令，相比传统制导方法环境适应性强、精度高，而且相比复杂的在线轨迹优化的方法易于工程实现。

技术领域

本发明涉及一种飞行器制导技术，尤其涉及一种空天飞行器着陆段在线制导方法。

背景技术

空天飞行器是指采用吸气式组合动力形式、水平起降、可重复使用的能够自由往返于稠密大气、临近空间和近地轨道的新一代天地往返飞行器。空天飞行器以其廉价、安全、便捷、机动的优势，使低成本、大规模、高密度的航天运输活动成为可能,对于世界各国未来军事、科学、经济的发展有着至关重要的作用。

火箭冲压组合循环(RBCC)发动机是面向临近空间高机动飞行器、可重复使用空天运载飞行器的核心关键技术，也是未来新型空天组合循环动力装置的核心基础。RBCC动力飞行器在飞行过程中具有大空域、宽速域，复杂力/热环境等特点，尤其在发动机模态转换时，对于高度、速度等飞行状态有严格的窗口要求，因此对于飞行器的GNC系统提出了更高的精度要求。

传统飞行器利用轨迹优化方法离线求得标称轨迹，然后在标称轨迹的基础上预先计算轨迹状态变量沿参考轨迹的值，并将其贮存于机载计算机中。飞行过程中，利用导航系统获得的飞行状态的实际值与参考值之差来控制飞行器，使飞行轨迹跟踪参考标称轨迹。但在实际飞行过程中飞行器的气动和发动机性能与地面试验有所差别，因此很难保证飞行器的制导精度。除此之外，部分学者、专家对于飞行器在线轨迹优化、在线制导进行了一定的研究，但由于弹上计算机有限的计算性能，目前这些制导方法仍然处于理论研究阶段，很难用于实际飞行。

发明内容

本发明提出一种环境适应性强、精度高且易于工程实现的空天飞行器在线制导的方法。

一种基于椭圆轨迹的空天飞行器着陆段在线制导方法，根据飞行器的飞行任务确定终端窗口，通过弹上测量装置得到飞行器实时的飞行状态，利用飞行状态信息与着陆点位置、着陆速度信息计算符合飞行约束的椭圆轨迹，计算当前所需法向加速度及轴向加速度，再用数值计算的方法解算飞行器实时的制导指令。

进一步地，法向加速度计算方法为：

定义椭圆坐标系，虚拟椭圆的方程可以表示为：

a和b分别代表虚拟椭圆的长短轴；

在该坐标系下，飞行器的初始位置坐标为(-S₀,H₀-b)，着陆点坐标为(0，-b)；其中，S₀和H₀表示飞行器初始剩余航程和初始高度，0为椭圆中心点；椭圆在初始位置的切线斜率必须与飞行器的弹道倾角匹配，可表示为以下形式：

k＝tanθ (2)

θ表示飞行器的弹道倾角；

通过以上约束可知，规划出的椭圆轨迹必须满足初始、着陆点的位置约束以及初始弹道倾角的约束，约束可以表示为以下形式：

求解上述方程组可得：

至此，根据初始高度、剩余航程以及弹道倾角可设计出满足飞行器着陆点，且连续平滑的椭圆轨迹剖面，椭圆在该处的曲率半径为：