CN110309590A - 一种再入飞行器速度-高度再入走廊预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种再入飞行器速度‑高度再入走廊预测方法，属于飞行器制导控制领域。本发明实现方法为：建立再入飞行器的动力学方程；基于过程约束实现对再入走廊下边界的预估；基于再入飞行器运动特性以及过程约束实现再入走廊上边界预估；通过严格分析获得再入飞行器的速度‑高度上边界，即通过严格再入走廊更精确反映飞行器再入过程的安全包络，通过预测再入飞行器的速度‑高度再入走廊，解决飞行器再入段弹道控制相关工程问题；所述飞行器再入段弹道控制相关工程问题包括通过设计合理的制导律提高制导精度，缩小观测范围。本发明相较于传统的采用拟平衡滑翔约束设计的再入走廊范围更宽，更符合再入飞行器机动性能强，轨迹波动范围大的特征。

Description

一种再入飞行器速度-高度再入走廊预测方法

技术领域

本发明涉及一种再入飞行器的速度-高度边界预测方法，尤其涉及一种再入飞行器的速度-高度再入走廊预测方法，属于飞行器制导控制领域。

背景技术

高超声速滑翔飞行器、载人飞船等飞行器在再入大气层的过程中会受到各种约束，如热流密度约束、过载约束、动压约束等。为了保证飞行器可以安全再入返回地球表面，飞行轨迹必须满足这些约束条件。工程上通常将这些约束描述为再入走廊。再入走廊决定了飞行器的机动范围，描述了飞行器的机动包络。再入走廊设计是再入飞行器轨迹规划的基础，在走廊内设计飞行轨迹可以保证飞行约束。同时，由于再入走廊描述了飞行器的机动包络，走廊边界也可以为再入飞行器的探测与跟踪提供依据。

再入走廊可以有不同的表达形式，如速度-高度走廊，阻力加速度-速度走廊，阻力加速度-能量走廊。每一种再入走廊一般由上边界和下边界构成。在速度-高度平面内，飞行下边界由热流密度、过载、动压三种过程约束共同决定：每种过程约束会确定一条下边界，三种约束所形成的下边界中的逐点最大值形成了飞行器再入走廊的下边界。已有的方法在计算速度-高度走廊上边界时通常采用平衡滑翔条件，即假设弹道倾角及其变化率为零。实际飞行中，再入飞行器的弹道倾角并不严格等于零，因此，平衡滑翔条件得到的是一条不严格的上边界，高于该边界的飞行状态可能也是允许的。也就是说，现有方法无法获得再入飞行器的速度-高度上边界。

发明内容

本发明公开的一种再入飞行器速度-高度边界预测方法要解决的技术问题是：严格分析获得再入飞行器的速度-高度上边界，即通过严格再入走廊更精确反映飞行器再入过程的安全包络，通过预测再入飞行器的速度-高度再入走廊，解决飞行器再入段弹道制导控制相关工程问题。所述飞行器再入段弹道制导控制相关工程问题包括通过设计合理的制导律提高制导精度，缩小观测范围等。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种再入飞行器的速度-高度再入走廊预测方法，建立再入飞行器的动力学方程。基于过程约束实现对再入走廊下边界的预估。基于再入飞行器运动特性以及过程约束实现再入走廊上边界预估。通过严格分析获得再入飞行器的速度-高度上边界，即通过严格再入走廊更精确反映飞行器再入过程的安全包络，通过预测再入飞行器的速度-高度再入走廊，解决飞行器再入段弹道控制相关工程问题。所述飞行器再入段弹道控制相关工程问题包括通过设计合理的制导律提高制导精度，缩小观测范围。本发明相较于传统的采用拟平衡滑翔约束设计的再入走廊范围更宽，更符合再入飞行器机动性能强，轨迹波动范围大的特征。

本发明公开的一种再入飞行器的速度-高度再入走廊预测方法，包括如下步骤：

步骤一：建立再入飞行器的动力学方程。

其中，v、γ、ψ、r、θ、Φ分别是速度、弹道倾角、弹道偏角、地心距、经度和纬度；σ是倾侧角；ω是地球自转速度；D与L分别是阻力加速度和升力加速度。L和D的计算公式如下：

其中，m是飞行器质量，S_A是飞行器参考面积，C_L与C_D分别为飞行器的升力系数和阻力系数。ρ是大气密度，计算公式如下：

ρ＝ρ₀exp(-h/h_s) (3)

其中ρ₀为海平面大气密度，h为飞行器所处海拔高度，h_s是计算大气密度的常数。

再入飞行器在飞行过程中主要受到三种过程约束的限制。三种过程约束分别是热流密度约束，过载约束和动压约束。计算公式如下：

其中n、q分别是热流密度、过载、动压；n_max、q_max分别是最大热流密度限制、最大过载限制、最大动压限制。K_Q是热流密度计算常数。

步骤二：基于过程约束实现对再入走廊下边界的预估。

再入飞行器再入走廊的下边界由飞行器再入过程中的三种过程约束共同确定。通过对如公式(4)所述三种约束的计算公式转化，将约束表达式转化为在约束条件下的高度与速度关系公式，如下式所示：

进而获得如下再入走廊下边界的表达式：

基于公式(6)实现对再入走廊下边界的预估。

步骤三：基于再入飞行器运动特性以及过程约束实现再入走廊上边界预估。

飞行器在再入的过程中，随着飞行器所处高度的降低，大气密度逐渐升高，导致升力逐渐增大。由于飞行器的大升阻比特性，飞行器会在某一时刻停止下滑而开始拉升高度，也即轨迹弹起。飞行器在弹起轨迹中需要满足如公式(4)所述三种过程约束的限制。当飞行器弹起轨迹超出再入走廊下边界时，则最初选定的初始速度-高度点并不安全，最初选定的初始速度-高度点不可作为再入走廊的一部分。再入走廊上边界的速度-高度点需使对应的弹起轨迹与再入走廊下边界恰好相切，也即三种约束均在限定范围之内。定义λ为飞行器到再入走廊下边界的最短距离，则弹起轨迹距离走廊下边界最近时应满足公式(7)

进一步，弹起轨迹与走廊下边界相切时满足公式(8)

利用滑翔再入飞行器的如公式(8)所述的弹起特性以及飞行过程中所受的如公式(4)所示过程约束，给出速度-高度再入走廊的上边界预测方法，进而实现对速度-高度再入走廊的上边界预测。

所述速度-高度再入走廊的上边界预测方法，包括如下步骤：

步骤3.1：给定初始高度h₀；

步骤3.2：在高度h₀处选取若干速度节点v_i(i＝1,2,…,n)，形成一系列的初始速度-高度点Γ_i＝(v_i,h₀)；

步骤3.3：以Γ_i为初始条件，结合动力学方程(1)生成速度-高度轨迹，当满足公式(7)或低于走廊下边界时停止；

步骤3.4：根据公式(8)判断速度-高度轨迹是否与再入走廊下边界相切，若相切，则Γ_i在再入走廊上边界上，否则更换v_i,并重复步骤3.3；

步骤3.5：更换初始高度，重复步骤3.2至3.4，直至飞行器再入轨道高度范围被覆盖完全，即实现速度-高度再入走廊的上边界预测。

还包括步骤四：基于步骤二预估的再入走廊下边界和步骤二预估的再入走廊上边界，获得再入飞行器的速度-高度再入走廊，即通过严格再入走廊得到更精确反映飞行器再入过程的安全包络。

还包括步骤五：利用步骤四预测再入飞行器的速度-高度再入走廊，解决飞行器再入段弹道控制相关工程问题。所述飞行器再入段弹道控制相关工程问题包括：根据预估的再入飞行器再入走廊辅助飞行器再入段制导律设计；根据预估的再入飞行器再入走廊获得飞行器再入过程中的飞行速度-高度包络，辅助对来袭再入飞行器武器的探测，缩小探测范围。

有益效果：

1、本发明公开的一种再入飞行器速度-高度边界预测方法，根据再入飞行器的再入运动特性，结合飞行器再入过程中所受过程约束，对飞行器再入过程的走廊上边界进行预测。本发明预测的再入走廊，相较于已有的方法预测的走廊更加严格，与再入飞行器再入过程的强机动能力相符。通过严格再入走廊得到更精确反映飞行器再入过程的安全包络。

2、本发明公开的一种再入飞行器速度-高度边界预测方法，根据再入飞行器再入运动特性以及再入过程中所受过程约束进行速度-高度走廊预测。获得的速度-高度走廊更加严格，可以反映再入飞行器再入过程中的速度与高度变化范围，也即：获得在固定高度处飞行器速度的变化范围；获得固定某一速度可达的高度范围。获得速度-高度范围之后，辅助飞行器再入段制导控制相关工程问题。

3、本发明公开的一种再入飞行器高度速度边界预测方法，能够解决两个工程问题：根据预估的再入飞行器再入走廊辅助飞行器再入段制导律设计；根据预估的再入飞行器再入走廊获得飞行器再入过程中的飞行速度-高度包络，辅助对来袭再入飞行器武器的探测，缩小探测范围。

4、本发明公开的一种再入飞行器高度速度边界预测方法，严格走廊设计策略设计的再入走廊，相较于传统的采用拟平衡滑翔约束设计的再入走廊范围更宽，更符合再入飞行器机动性能强，轨迹波动范围大的特征。

附图说明

图1为再入轨迹弹起示意图。

图2为弹起轨迹与下边界关系示意图。

图3为本发明实施例方法中再入走廊严格上边界设计的基本流程图。

图4为情况一的本发明实施例方法和现有技术方法的再入走廊对比示意图。

图5为情况二的本发明实施例方法和现有技术方法的再入走廊对比示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

以CAV-H飞行器模型为对象，如图3所示，本实施例公开的一种再入飞行器的速度-高度再入走廊预测方法，具体实施步骤如下：

步骤一：建立再入飞行器的动力学方程。

其中，v、γ、ψ、r、θ、Φ分别是速度、弹道倾角、弹道偏角、地心距、经度和纬度；σ是倾侧角；ω是地球自转速度；D与L分别是阻力加速度和升力加速度。L和D的计算公式如下：

其中，m是飞行器质量，S_A是飞行器参考面积，C_L与C_D分别为飞行器的升力系数和阻力系数。ρ是大气密度，计算公式如下：

ρ＝ρ₀exp(-h/h_s) (11)

其中ρ₀为海平面大气密度，h为飞行器所处海拔高度，h_s是计算大气密度的常数。

再入飞行器在飞行过程中主要受到三种过程约束的限制。三种过程约束分别是热流密度约束，过载约束和动压约束。计算公式如下：

其中n、q分别是热流密度、过载、动压；n_max、q_max分别是最大热流密度限制、最大过载限制、最大动压限制。K_Q是热流密度计算常数。本实施例中，取两种情况如下：

情况1：热流密度最大限制为4MW/m2，过载最大限制n_max为3g，动压最大限制q_max为70kPa；

情况2：热流密度最大限制为3MW/m2，过载最大限制n_max为2g，动压最大限制q_max为40kPa；

步骤二：基于过程约束实现对再入走廊下边界的预估。

再入飞行器再入走廊的下边界由飞行器再入过程中的三种过程约束共同确定。通过对如公式(12)所述三种约束的计算公式转化，将约束表达式转化为在约束条件下的高度与速度关系公式，如下式所示：

进而获得如下再入走廊下边界的表达式：

基于如公式(14)实现对再入走廊下边界的预估。

步骤三：基于再入飞行器运动特性以及过程约束实现再入走廊上边界预估。

飞行器在再入的过程中，随着飞行器所处高度的降低，大气密度逐渐升高，导致升力逐渐增大。由于飞行器的大升阻比特性，飞行器会在某一时刻停止下滑而开始拉升高度，也即轨迹弹起。飞行器在弹起轨迹中需要满足如公式(12)所述三种过程约束的限制。当飞行器弹起轨迹超出再入走廊下边界时，则最初选定的初始速度-高度点并不安全，最初选定的初始速度-高度点不可作为再入走廊的一部分。再入走廊上边界的速度-高度点需使对应的弹起轨迹与再入走廊下边界恰好相切，也即三种约束均在限定范围之内。定义λ为飞行器到再入走廊下边界的最短距离，则弹起轨迹距离走廊下边界最近时应满足公式(15)

进一步，弹起轨迹与走廊下边界相切时满足公式(16)

利用滑翔再入飞行器的如公式(16)所述的弹起特性以及飞行过程中所受的如公式(12)所示过程约束，给出速度-高度再入走廊的上边界预测方法，进而实现对速度-高度再入走廊的上边界预测。所述速度-高度再入走廊的上边界预测方法，具体实现步骤如下：

步骤3.1：给定初始高度h₀；

步骤3.2：在高度h₀处选取若干速度节点v_i(i＝1,2,…,n)，形成一系列的初始速度-高度点Γ_i＝(v_i,h₀)；

步骤3.3：以Γ_i为初始条件，结合动力学方程(9)生成速度-高度轨迹，当满足公式(15)或低于走廊下边界时停止；

步骤3.4：根据公式(16)判断速度-高度轨迹是否与再入走廊下边界相切，若相切，则Γ_i在再入走廊上边界上，否则更换v_i,并重复步骤3.3；

步骤3.5：更换初始高度，重复步骤3.2至3.4，直至飞行器再入轨道高度范围被覆盖完全，即实现速度-高度再入走廊的上边界预测。

本实施例中，CAV飞行高度范围选取30km～80km，每隔5km选取一个取样高度点执行步骤三。

情况1的高度速度边界如附图4所示，情况2的高度速度边界如附图5所示。图中，红色点划线为再入走廊下边界，蓝色实线为本发明确定的再入走廊的上边界，黑色虚线为现有方法确定的再入走廊上边界，由结果可知，本发明设计的再入走廊相较现有方法设计的走廊覆盖更宽的状态平面，符合再入飞行器强机动性的特点。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种再入飞行器速度-高度再入走廊预测方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：建立再入飞行器的动力学方程；

步骤二：基于过程约束实现对再入走廊下边界的预估；

步骤三：基于再入飞行器运动特性以及过程约束实现再入走廊上边界预估；

步骤四，基于步骤二预估的再入走廊下边界和步骤三预估的再入走廊上边界，获得再入飞行器的速度-高度再入走廊，即通过严格再入走廊得到更精确反映飞行器再入过程的安全包络。

2.如权利要求1所述的一种再入飞行器速度-高度再入走廊预测方法，其特征在于：还包括步骤五，利用步骤四预测再入飞行器的速度-高度再入走廊，解决飞行器再入段弹道控制相关工程问题；所述飞行器再入段弹道控制相关工程问题包括：根据预估的再入飞行器再入走廊辅助飞行器再入段制导律设计；根据预估的再入飞行器再入走廊获得飞行器再入过程中的飞行速度-高度包络，辅助对来袭再入飞行器武器的探测，缩小探测范围。

3.如权利要求1或2所述的一种再入飞行器速度-高度再入走廊预测方法，其特征在于：步骤一实现方法为，

建立如公式(1)所示的再入飞行器的动力学方程；

其中，v、γ、ψ、r、θ、Φ分别是速度、弹道倾角、弹道偏角、地心距、经度和纬度；σ是倾侧角；ω是地球自转速度；D与L分别是阻力加速度和升力加速度；L和D的计算公式如下：

其中，m是飞行器质量，S_A是飞行器参考面积，C_L与C_D分别为飞行器的升力系数和阻力系数；ρ是大气密度，计算公式如下：

ρ＝ρ₀exp(-h/h_s) (3)

其中ρ₀为海平面大气密度，h为飞行器所处海拔高度，h_s是计算大气密度的常数；

再入飞行器在飞行过程中主要受到三种过程约束的限制；三种过程约束分别是热流密度约束，过载约束和动压约束；计算公式如下：

其中n、q分别是热流密度、过载、动压；n_max、q_max分别是最大热流密度限制、最大过载限制、最大动压限制；K_Q是热流密度计算常数。

4.如权利要求3所述的一种再入飞行器速度-高度再入走廊预测方法，其特征在于：步骤二实现方法为，

再入飞行器再入走廊的下边界由飞行器再入过程中的三种过程约束共同确定；通过对如公式(4)所述三种约束的计算公式转化，将约束表达式转化为在约束条件下的高度与速度关系公式，如下式所示：

进而获得如下再入走廊下边界的表达式：

基于公式(6)实现对再入走廊下边界的预估。

5.如权利要求4所述的一种再入飞行器速度-高度再入走廊预测方法，其特征在于：步骤三实现方法为，

飞行器在再入的过程中，随着飞行器所处高度的降低，大气密度逐渐升高，导致升力逐渐增大；由于飞行器的大升阻比特性，飞行器会在某一时刻停止下滑而开始拉升高度，也即轨迹弹起；飞行器在弹起轨迹中需要满足如公式(4)所述三种过程约束的限制；当飞行器弹起轨迹超出再入走廊下边界时，则最初选定的初始速度-高度点并不安全，最初选定的初始速度-高度点不可作为再入走廊的一部分；再入走廊上边界的速度-高度点需使对应的弹起轨迹与再入走廊下边界恰好相切，也即三种约束均在限定范围之内；定义λ为飞行器到再入走廊下边界的最短距离，则弹起轨迹距离走廊下边界最近时应满足公式(7)

进一步，弹起轨迹与走廊下边界相切时满足公式(8)

利用滑翔再入飞行器的如公式(8)所述的弹起特性以及飞行过程中所受的如公式(4)所示过程约束，给出速度-高度再入走廊的上边界预测方法，进而实现对速度-高度再入走廊的上边界预测。

6.如权利要求5所述的一种再入飞行器速度-高度再入走廊预测方法，其特征在于：步骤三中所述速度-高度再入走廊的上边界预测方法，包括如下步骤，

步骤3.1：给定初始高度h₀；

步骤3.2：在高度h₀处选取若干速度节点v_i(i＝1,2,…,n)，形成一系列的初始速度-高度点Γ_i＝(v_i,h₀)；

步骤3.3：以Γ_i为初始条件，结合动力学方程(1)生成速度-高度轨迹，当满足公式(7)或低于走廊下边界时停止；

步骤3.4：根据公式(8)判断速度-高度轨迹是否与再入走廊下边界相切，若相切，则Γ_i在再入走廊上边界上，否则更换v_i，并重复步骤3.3；

步骤3.5：更换初始高度，重复步骤3.2至3.4，直至飞行器再入轨道高度范围被覆盖完全，即实现速度-高度再入走廊的上边界预测。