[发明专利]可重复使用运载器再入制导与控制系统性能评估方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞行器制导与控制领域，尤其涉及一种可重复使用运载器再入制导与控制系统性能评估方法。

技术背景

可重复使用运载器(Reusable Launch Vehicle,RLV)是指能够快速穿越大气层、自由往返于地球与太空之间且可以重复使用的多用途飞行器。它既可快速、便利地向太空运送有效载荷，又可再入大气层、降落到指定着陆点，是实现快速、可靠、廉价往返太空的重要途径，有着巨大的军事和民用价值。

再入制导与控制技术是RLV研制中的关键技术之一。再入制导系统通过给姿态控制系统提供制导指令，将飞行器准确地从再入初始点导引到指定的目标点，并保证飞行器在再入过程中不违背热流率、热负荷、过载、动压等约束条件。再入控制系统的主要作用是稳定和控制再入飞行姿态，完成制导系统给出的姿态指令。

由于RLV再入过程外界环境变化剧烈，再入飞行具有大空域、大包线的特点，使飞行器存在着模型参数不确定以及外界干扰。其次，再入飞行姿态和轨迹的耦合以及三个姿态通道间的耦合非常严重。这使得RLV再入过程整体上体现为一个高度非线性、强耦合且受不确定影响的复杂系统，这对飞行器再入制导与控制系统提出了更高的性能要求。在现实情况下，飞行试验投资巨大，为确保试验的成功并尽量缩减成本，再入过程必须选用最优的制导与控制方案。故针对再入制导与控制系统提出一种有效的性能评估方法显得极为必要。

另外，随着计算机仿真技术的高速发展，使其在先进飞行器的研制工作中发挥着越来越重要的作用，因此，将计算机仿真技术融入到RLV再入制导与控制系统的性能评估当中是必然趋势。通过设计开发评估软件可以实现再入飞行分析、再入制导与控制性能评价等功能。

然而，目前尚无典型有效的关于RLV再入制导与控制系统评估方面的技术。因此，提出一种RLV再入制导与控制系统的性能评估方法并设计开发相应的评估软件进行实现具有极高的理论意义和实用价值。

发明内容

为了克服现有技术的不足，提出一种可重复使用运载器再入制导与控制系统的性能评估方法并通过设计开发评估软件进行实现。通过评估结果可以为后期分析不同方案的优势和存在的问题、指出各自的改进方向以及为飞行器总体方案的最终确定提供客观的评判依据。另外，通过评估软件显著的提高飞行分析效率，减少不必要的时间浪费，大大加快RLV再入制导与控制系统的研制速度。为此，本发明采取的技术方案是，可重复使用运载器再入制导与控制系统性能评估方法，包括如下步骤：

首先，分析RLV再入制导与控制系统的关键性能，以此选取有效的性能评估指标，并按照RLV的再入任务给出各指标的评分准则及相应的归一化方法；

然后，分别建立再入制导系统和再入控制系统的性能评估指标体系，并将体系分为目标层即再入段制导/控制系统性能评估、包括再入制导/控制系统的所有关键性能的准则层和包括所有再入制导/控制系统性能评估指标的指标层三个层次结构；

再次，通过两两判断矩阵及特征根法，分别计算目标层、准则层以及指标层的权重矩阵，并通过加权评估算法得到RLV再入制导与控制系统的最终得分；

最后，通过运用基于C#.NET和Matlab结合的混合开发方式，以软件形式实现上述各步骤。

再入制导系统的关键性能如下：满足过程约束的能力；满足控制量约束的能力；满足状态量约束的能力；末端落点位置、速度、角度精度；制导算法的工程实用性。

再入控制系统的关键性能如下：满足控制约束的能力；控制系统的稳态性能；控制系统的动态性能。

选取的RLV再入段制导系统性能评估指标及相应的指标描述如下：

选取的RLV再入段控制系统评估指标及相应的指标描述如下：

指标的归一化处理包括：

方法1：适用于成本型指标，即希望数值越小越好，包括攻角变化率、侧倾角变化率、航迹角变化率、末端高度偏差、末端速度偏差、末端航向角偏差、末端航迹角偏差。对于评估系统的每个指标x_i，设定其上界x_max，代表控制系统所应该达到的控制性能下限；设定其下界x_min，代表控制系统所能达到的理想性能上界，为了实现归一化，对于指标x_i，当其值大于上界x_max时，规定其归一值为0，即：

J_i＝0，当x_i>x_max