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申请/专利权人：北京理工大学

摘要：本发明公开的一种跨域飞行器返回段转弯进场精确制导方法，属于航空航天技术领域。本发明：建立飞行器能量管理区转弯进场动力学，给定飞行器转弯进场过程的始末状态约束；根据飞行器飞行轨迹特征对转弯进场飞行轨迹进行分段，推导得到每段的转弯轨迹特征参数和轨迹连接条件；基于初始转弯段的圆弧轨迹特性，通过圆弧轨迹约束方程推导初始转弯段的开环控制律，基于直线捕获段直线飞行轨迹特征，给出航程比例攻角控制律，基于跑道对准段的圆弧轨迹特性，通过圆弧轨迹约束方程推导跑道对准段的开环控制律；构建以跑道对准段转弯半径为制导参数，以末端进场能量为校正目标的跨域飞行器转弯进场闭环预测校正制导框架，给出跨域飞行器转弯进场轨迹。

主权项：1.一种跨域飞行器返回段转弯进场精确制导方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立飞行器能量管理区转弯进场动力学模型；步骤一实现方法为，选择飞行器着陆跑道的中心点作为原点建立地面惯性坐标系；选择x轴方向为由坐标原点沿着跑道指向飞行器进场方向，y轴在水平面内垂直于x轴并朝着飞行器进场方向的右侧方向，同时动力学方程中还考虑飞行器高度h，飞行航迹角γ和飞行航向角ψ；相应的动力学方程表示为 其中μ表示地球的引力常数，V是飞行器速度；为了方便后续制导算法框架的设计，这里直接以飞行轨迹能量参数e作为自变量，其表达式e＝μr-V22，其中r为位置矢径大小，此时速度V直接可以根据e的表达式求出；升力加速度L和阻力加速度D为 其中，S为飞行器的参考面积，ρ为有量纲的地球大气密度，m为飞行器的质量，CL和CD分别为升力系数和阻力系数，CL和CD为攻角α的函数，而攻角作为调节飞行轨迹能量的控制角，因此将是后续制导律设计过程中开环制导律设计的对象之一；此外，σ为倾侧角，是飞行器进场转弯过程的控制角，也是后续制导律设计过程中，开环制导律设计的对象之一；因此，后续开环制导律设计中的控制量包括攻角α和倾侧角σ；飞行器在进行转弯进场时，初始状态根据测量系统实时给定，因此，初始状态约束为xe0＝[x0,y0,h0,γ0,ψ0]T；为了保证飞行器能够安全进场着陆，在飞行器到达对准跑道的时刻，轨迹能量满足要求，因此末端状态约束可以表示为etf＝ef；同时，由于飞行器对准跑道的位置和方向也固定，因此，必须固定末端位置和航向角，即xf＝0，表示飞行器位于跑道直线上；ψf＝0，表示飞行器朝着跑道方向进场；步骤二：根据飞行器的飞行轨迹特征对转弯进场飞行轨迹进行分段，并推导得到每段的转弯轨迹特征参数和轨迹连接条件；所述分段分别为初始转弯段、直线捕获段、跑道对准段；步骤二实现方法为，步骤2.1根据飞行器的飞行轨迹特征对转弯进场飞行轨迹进行分段；根据飞行器转弯进场的方式，考虑到转弯进场的特征，将整个过程的飞行轨迹分为三段，即初始转弯段，直线捕获段，以及跑道对准段；步骤2.2基于初始转弯段的飞行轨迹特征，建立初始转弯段的特征参数；为了简化转弯进场轨迹的设计复杂度，初始转弯段的起点TEP即为飞行器开始进场的初始位置，初始转弯的xy平面轨迹为圆弧；记初始转弯段轨迹的圆心坐标为x1,y1，初始转弯段的半径为RS1，此时，根据初始转弯段的几何关系，初始转弯段的圆心坐标值为 其中，系数矩阵K是将原坐标系转换为x轴指向圆心的坐标转换矩阵，其表达式为 初始转弯圆的半径RS1的值根据轨迹剩余能量设定；此外特征参数还包括转弯圆圆心x1,y1，其表达式为RS1的函数；步骤2.3根据跑道方位和着陆过程的初始状态需求，建立跑道对准段的特征参数；根据步骤一中给定的终端状态约束可知，飞行器对准跑道的位置和方向是固定的，因此飞行器在到达跑道对准位置ALI时，其位置作为终端约束而固定，即末端位置为 因此，能够直观得到跑道对准段的圆心坐标x2,y2为 其中，±表示飞行器是直接进场还是间接进场，后续步骤三中设计的转弯进场制导策略将通用于这两种进场模式；跑道对准圆的半径RS2的值显著影响跑道对准时刻的轨迹能量，因此将作为制导参数进行设计；此外特征参数还包括跑道对准圆圆心x2,y2，其表达式如式6；步骤2.4建立直线捕获段的特征参数；直线捕获段的关键参数是需要确定该段轨迹与初始转弯段和跑道对准段的切点，也即进入点A和结束点B，相应的位置坐标分别为xA,yA和xB,yB；在直线捕获段，特征参数是计算出A和B点的位置坐标，从而为后续制导律的设计提出基础；为了计算上述两个位置坐标，需建立约束方程；首先，A和B点满足圆的约束方程，即xA-x12+yA-y12＝RS127xB-x22+yB-y22＝RS228同时，由于AB线段在初始转弯圆和跑道对准圆的共切线上，因此还满足 其中，k＝±1表示飞行器是间接进场还是直接进场，如果是“-1”则是直接进场，如果是“+1”则是间接进场；将式9分别代入式7和8，整理得到 其中， 根据式10，计算得到yB的值为 其中， 联立式9和11得 直线捕获段的关键参数即为进入点A和结束点B相应的位置坐标xA,yA和xB,yB，其表达式等效为制导参数RS2的函数；步骤2.5建立转弯进场全过程的轨迹连接条件；步骤2.4给出了直线捕获段的特征参数，即为直线捕获段轨迹与初始转弯段和跑道对准段的切点位置坐标，也即进入点A和结束点B相应的位置坐标xA,yA和xB,yB；初始转弯段和直线捕获段的连接条件采用A点坐标表征，当飞行器沿初始转弯段运行至A点，飞行器即进入直线捕获段；直线捕获段和跑道对准段的连接条件采用B点坐标表征，当飞行器沿直线捕获段运行至B点，飞行器即进入跑道对准段段；步骤三：基于初始转弯段的圆弧轨迹特性，通过圆弧轨迹约束方程推导初始转弯段的开环控制律，能够给出初始转弯段的控制律解析表达式；基于直线捕获段直线飞行轨迹特征，给出航程比例攻角控制律，能够实现任意始末约束的直线轨迹能量衰减过程；基于跑道对准段的圆弧轨迹特性，通过圆弧轨迹约束方程推导跑道对准段的开环控制律，能够给出跑道对准段的控制律解析表达式；步骤四：构建以跑道对准段转弯半径RS2为制导参数，以末端进场能量ef为校正目标的跨域飞行器转弯进场闭环预测校正制导框架；步骤五：基于步骤四构建的跨域飞行器转弯进场闭环预测校正制导框架，给出跨域飞行器转弯进场轨迹。

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