[发明专利]基于动力学特性的变步长再入飞行器位置速度预测方法

说明书

技术领域

本发明属于再入飞行器控制领域，涉及一种再入飞行器位置和速度的预测方法。

背景技术

探月返回试验器采用跳跃式再入方式，航程需求跨度范围在4000—8000km范围之内，弹道往往存在明显的跃升过程。由于再入能量水平的不同，初次再入段和二次再入段(或者是能量阻尼到第一宇宙速度后的下降飞行阶段)的弹道特性和摄动影响程度都有较大区别，因此在高能量再入飞行阶段需要使用预测—校正的制导方法，保证初次再入将返回器能量阻尼到合适的范围内，为二次再入提供良好的再入初始状态。

由于器载计算机的计算能力较弱，而在再入段需要尽快完成预测解算，从而保证在较短的周期内对待跟踪弹道进行更新，保证制导闭环性能。为实现此目标，预测计算时间受到严格限制。

目前再入飞行器在轨的位置和速度预测方法中，或采用统一的动力学方程，或采用单一的步长进行预测，为了保持预测的精度，计算量较大。由于再入飞行器计算机计算能力有限，这种预测方法难以满足对预测速度的要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于动力学特性的变步长再入飞行器位置速度预测方法，根据大气外再入飞行器所受的气动力有限，忽略后对预测精度影响有限的特性，当飞行高度高于一定的阈值后，采用第一套动力学方程，动力学方程中不计算气动力，当飞行高度低于阈值后，采用第二套动力学方程，计算气动力，两套动力学方程步长采取不同值，在保证精度的同时提高了再入飞行器位置速度预测的速度。

本发明的技术解决方案是：基于动力学特性的变步长再入飞行器位置速度预测方法，包括如下步骤：

(1)利用卫星导航系统，获取再入飞行器的位置和速度作为初始位置速度，记为X(0)＝[x₀,y₀,z₀,v_x0,v_y0,v_z0,γ_V0]^T，其中(x₀,y₀,z₀)为再入飞行器在空间的初始位置，(v_x0,v_y0,v_z0)为再入飞行器在空间的初始速度，γ_V0为倾侧角；

(2)判断当前再入飞行器的飞行高度H，如果H>H_th1，则转步骤(3)，如果H_th2<H≤H_th1，则转步骤(4)，如果H≤H_th2，则停止外推预测并结束；其中，H_th1为第一高度阈值，H_th1的取值范围为80～100Km，H_th2为第二高度阈值，H_th2的取值范围为10～20km；

(3)以t_B为计算步长，利用第一质心动力学方程，外推一步再入飞行器在空间的实时位置和速度后返回步骤(2)；所述t_B的取值范围为1s到100s，所述的第一质心动力学方程为：

G_k＝f(X_k)

V_k+1＝V_k+G_kt_B

X_k+1＝X_k+V_kt_B

其中X＝{x,y,z}表示再入飞行器的预测位置，V＝{v_x,v_y,v_z}表示再入飞行器的预测速度，G＝{g_x,g_y,g_z}表示再入飞行器所处位置的重力加速度，f(X)为再入飞行器位置与重力加速度的函数关系，角标k和k+1分别表示外推一步前和外推一步后的值，k的初始值为0；

(4)以t_S为计算步长，利用第二质心动力学方程，外推一步再入飞行器在空间的实时位置和速度后返回步骤(2)；所述t_S的取值范围为0.1s到2s，所述的第二质心动力学方程为：

γ_k＝Γ(t_k)

G_k＝f(X_k)