空间飞行器末端控制方法研究范文

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摘要：本文主要研究了空间飞行器的末端控制问题。在建立弹目相对运动模型的基础上，设计了基于动态逆系统方法的末端控制规律。通过求解弹目相对运动方程的逆系统，设计弹目视线角速度调节器，使得弹目视线角速度趋于零，保证飞行器的交汇精度。由于该制导律采用了反映目标机动的信息，可以使得飞行器的交汇精度更高，从而实现对大机动目标的高精度制导控制。同时，为了避免轨控发动机开关过于频繁的问题，本文进一步采用了视线转率双包络线的方法对逆系统末端控制规律进行改进。通过对系统进行计算机仿真，证明了此方法的正确性及有效性。

关键词：空间飞行器；逆系统；末端控制律；机动目标

0引言

空间飞行器是未来实现精确交汇的重要装备，这就要求飞行器自身具有极高的制导控制精度。末端控制技术可以通过导引律的设计，支撑飞行器在多变、复杂的空间环境下进行高智能交汇的要求，实现快速、稳定以及高精度的交汇任务。针对空间飞行器的末端控制，传统的比例导引律虽然易于工程实现，但前向攻击能力差，难以满足交汇要求［1］。因此，国内外学者近年来多采用非线性控制理论对导引律设计进行相应研究，以提高空间飞行器对高机动目标交汇的鲁棒性，提高交汇精度［2］。其中逆系统方法就是用反馈线性化方法来研究控制系统理论的一种有效途径，是一种比较有效的非线性制导控制方法［3］。本论文假定的飞行器末端执行机构由安装在质心位置的4个轨控发动机组成。针对轨控发动机推力特性，设计出一种基于动态逆系统方法的末端控制规律。通过求解弹目相对运动方程的逆系统，构建伪线性系统，再通过线性系统控制理论设计弹目视线角速度调节器，使得弹目视线角速度趋于零，可提高飞行器对大机动目标的末端精度。通过系统仿真验证，说明此设计方法是有效且正确的。

1末端数学模型

1．1飞行器数学模型

一方面，随着发动机的燃料消耗，导致飞行器的质量、质心位置、惯性张量随之发生变化，并产生一定的干扰力矩，同时对飞行器的姿态角产生相应的影响；另一方面，由于飞行器空间位置的改变，导致飞行器重力加速度也在不断变化。

1．2目标数学模型

目标为机动目标，建立弹道坐标系下目标运动学及动力学模型。

2基于逆系统方法的末端控制规律设计

2．1逆系统

方法的一般理论逆系统方法是用反馈线性化方法来研究控制系统理论的一种途径，是一种比较有效的非线性制导控制方法［4］。逆系统的基本思想是：用对象的模型构成一种可用反馈方法实现的原系统的“α阶积分逆系统”，将对象补偿成为具有线性传递关系的且已经解耦的一种伪线性系统，然后利用线性系统的各种设计理论来完成对伪线性系统的综合控制［5］。

2．2制导律设计

在弹目连线矢量方向上并不施加控制，而只是控制弹目视线角趋于定常值。

2．3视线转率门限设计

为了避免出现发动机点火过于频繁的现象，本文设计了视线转率门限，当飞行器与目标间的视线转率超过门限值时，根据导引律和发动机点火逻辑开启相应发动机对飞行器进行控制，否则不对飞行器进行控制［10］。

3基于逆系统的空间飞行器制导控制仿真

假设弹目相对距离ΔR＝30km、相对速度ΔV＝8km／s、横向偏差ΔZ＝5000m，目标采用正弦机动过载at＝20•sin（0．4πt）（km／s2）。若采用比例导引，其末端精度为0．1789m。若采用逆系统方法设计的制导律，则末端脱靶量为0．01638m。大大提高了系统对机动目标的制导精度。

4结论

本文以大气层外飞行的飞行器的末端控制为研究对象，讨论了逆系统方法对这一具有非线性、耦合和时变特点的系统进行制导控制律的设计问题。通过提前对目标机动进行估计跟踪并将此预测信息引入逆系统控制律，可以将视线角速率由比例导引的5×10－3（°）／s减小到1×10－3（°）／s，避免较大的机动过载对弹体稳定性的影响。同时，制导精度由0．1789m提高到0．01638m。为避免轨控发动机开关过于频繁，本文设计的视线转率门限的控制方法对控制规律进行了改进，使开关频率由改进前的15Hz降低到8Hz。仿真结果表明，所采用的方法可以很好地实现大气层外飞行器的末制导控制，有效地提高大机动跟踪情况下弹体的稳定性和制导精度。但本文未考虑在弹目连线矢量方向上施加控制的情况，因为由此会产生三维制导律的设计问题，这一点作者将在后续工作中加以研究。

参考文献

［1］王子才．空间拦截非线性最优末端导引规律研究［J］．计算结构力学及其应用，1999：11（3）：18－25．

［2］李军龙，陈杰，胡恒章．目标机动时的一种非线性末导引律［J］．北京：宇航学报，1998：19（2）：37－42．

［3］史小平，朱胤，单军．一种变结构自适应空间拦截导引规律设计．导弹与航天运载技术，2014：（1）：32－34．

［4］顾幸生，刘漫丹，张凌波．现代控制理论及应用［M］．上海：华东理工大学出版社，2008．

［5］史小平，王子才．基于两种规范型的非线性状态观测器设计及其在空间拦截末制导中的用．制导与引信，2003，4：15－23．

［6］李君龙，胡恒章．一种基于反馈精确线性化的空间拦截末制导律．宇航学报，2000：18（4）：13－17．

［7］曹光前．一种非线性末制导系统模型的精确线性化．飞行力学，2000，18（2）：85－88．

［8］汤善同．微分对策制导规律与改进的比例导引制导规律性能比较．宇航学报，2012，23（6）：41－42．

［9］史小平，王子才．空间拦截红外末制导中的状态估计．航天控制，2004（1）：1－7．

［10］周凤岐，韩艳铧，周军．空间飞行器姿态控制设计和鲁棒性分析，中国空间科学技术，2015（2）：36－41.

作者：周新耀；周藜莎；臧月进；曾亮 单位：上海机电工程研究所