带助推飞行器的弹道优化方法

发布时间：2017-09-23 10:29

  本文关键词：带助推飞行器的弹道优化方法

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【摘要】：弹道导弹或助推火箭等飞行器发射段的飞行过程,可以看成是带助推飞行器的上升段运动。为了使飞行器在进入预定轨道时刻具有某一特定的高度与速度,需要对上升段弹道进行优化设计。优化过程中,一般需要对射程、时间或燃料消耗等指标进行规划,从而找到一条满足飞行任务并且使性能指标达到最优值的弹道。由于飞行过程中存在各种摄动因素,因此如何对弹道进行修正从而抑制干扰带来的影响是需要研究的问题。因此,本文将围绕上升段弹道优化以及摄动制导这两大问题展开研究。首先,建立了上升段带助推飞行器的运动模型,介绍了几种坐标系的定义以及它们之间的转换关系。通过对飞行过程中受到的各种力进行分析,推导飞行器三自由度运动学与动力学方程。基于本问题的特点,给出了多级助推过程中质量变化模型。上升段模型的建立,为后面的研究提供了基础和依据。其次,重点研究了上升段轨迹优化方法。优化策略选择了数值方法中的高斯伪谱法,利用该方法对上升段运动过程进行了离散处理。基于程序攻角的设计规则与选取原则,结合飞行器的飞行特点,设计了攻角飞行方案。利用伪谱法进行寻优求解得到了满足约束的解向量,即攻角变化曲线。将得到的结果带入到飞行器运动方程中,得到优化弹道,并对解的合理性与最优性进行了分析。本文还给出了直接基于程序俯仰角的优化策略,将结果与基于攻角策略进行了对比分析。最后,研究了上升段具有摄动情况下,如何对弹道进行修正从而使得实际弹道更加接近标准弹道。采用实时解算导引系数的摄动制导方式,推导了导引系数的表达式,给出了对摄动偏差的修正结果。通过修正前后各状态量的对比,说明了摄动制导的合理性。
【关键词】：上升段 弹道优化 摄动制导 攻角设计 高斯伪谱法
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ760.1;V412.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题背景及研究目的9-10
• 1.2 国内外研究现状10-17
• 1.2.1 弹道优化方法研究现状10-12
• 1.2.2 上升段（助推段）制导方法研究现状12-17
• 1.3 本文的主要研究内容17-18
• 第2章 飞行器助推段数学模型18-30
• 2.1 坐标系定义18-19
• 2.2 坐标系之间的转换关系19-23
• 2.2.1 发射坐标系到飞行器弹体坐标系的转换矩阵B_d~b19-21
• 2.2.2 从发射系到速度系的转换矩阵B_d~v21
• 2.2.3 速度坐标系到弹体坐标系的转换矩阵B_v~c21-22
• 2.2.4 地心大地直角坐标系与发射坐标系的关系22-23
• 2.3 质心运动学方程23
• 2.4 质心动力学方程23-29
• 2.5 小结29-30
• 第3章 带助推飞行器上升段轨迹优化30-62
• 3.1 弹道优化最优控制问题描述30-31
• 3.2 参数化过程31-35
• 3.3 基于高斯伪谱法的上升段轨迹优化35-40
• 3.3.1 Gauss伪谱法介绍35-37
• 3.3.2 基于伪谱法的上升段离散化37-39
• 3.3.3 高斯伪谱法的简单算例分析39-40
• 3.4 基于程序攻角的弹道优化设计40-57
• 3.4.1 飞行程序角的选取40-44
• 3.4.2 约束条件分析44
• 3.4.3 仿真结果与仿真分析44-57
• 3.5 基于程序俯仰角的分段弹道优化设计57-59
• 3.6 仿真对比59-61
• 3.7 小结61-62
• 第4章 上升段摄动制导研究62-73
• 4.1 在线计算导引系数的摄动制导方法62-67
• 4.1.1 摄动制导问题描述62-63
• 4.1.2 导引目标量u_(?)的选取63-64
• 4.1.3 导引系数的求取64-67
• 4.2 摄动制导仿真及结果分析67-71
• 4.2.1 风扰动时弹道修正67-69
• 4.2.2 气动参数扰动时弹道修正69-71
• 4.2.3 跟踪误差分析71
• 4.3 小结71-73
• 结论73-75
• 参考文献75-79
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果79-81
• 致谢81

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本文编号：904760