具有角度约束的分析型非线性时间最优航天器再入制导律

《Advances in Space Research》：Analytical Nonlinear Time-optimal Spacecraft Re-entry Guidance Law with Angle Constraints

　　

南向王|中原陈|彭王|万春陈

北京航空航天大学航天学院，中国北京100191

摘要

随着载人高速飞行器的快速发展，飞行器引导系统的紧急返回能力已成为保障宇航员安全的关键因素，也是近期研究的重点。为应对紧急返回任务设计中非线性动力学和角度约束带来的挑战，本文提出了一种具有角度约束的解析非线性最优再入引导律。为解决紧急返回引导中的非线性问题，采用了一种新颖的分段恒定升阻比方法，通过变分法得到了解析的非线性最优解。该方法能够快速、实时、准确地响应紧急返回任务，并考虑了非线性动力学方程中空气动力与重力之间的耦合效应，而这些因素会降低现有引导律的计算效率和精度。同时，为满足紧急返回场景下飞机平稳着陆的特定终端飞行路径角度约束，本文提出了一种具有角度约束的两阶段解析最优引导律。第一阶段引导律基于非线性最优控制问题的解析解制定；当飞行器接近着陆点时，通过在线计算获得满足角度约束的椭圆参考轨迹；第二阶段引导律则通过跟踪该参考轨迹实现。所提出的两阶段最优引导律无需线性化处理，因此实施更为简便，且精度优于基于线性化假设的引导律。此外，该解析引导律的计算效率显著高于数值最优引导律，同时仍保持最优性和等效精度。通过模拟不同风扰动和地形不规则条件下的多种飞行场景，验证了该引导律的有效性和鲁棒性。