[发明专利]一种考虑多禁飞区约束的协同解析再入制导方法

说明书

本发明一种考虑多禁飞区约束的协同解析再入制导方法，包括步骤：1、再入制导问题描述；2、基于旋转地球模型的飞行时间解析解；3、考虑多禁飞区和抵达时间约束的解析再入制导方法；4、多飞行器抵达时间协同方案。本发明优点在于：(1)提出基于旋转地球模型的高超声速滑翔弹道飞行时间的精确解析解，预测误差保持在3％以内，适用于非常值纵向升阻比剖面的情况。(2)可基于三维再入弹道解析解和飞行时间解析解，解决在多禁飞区环境中导引多个高超声速滑翔飞行器同时到达目标的协同飞行问题。(3)设计了考虑终端时间、速度和高度要求的基于在线弹道仿真的多目标数值迭代规划方案。利用方向导数改进了拟牛顿法，减少弹道仿真次数。

技术领域

本发明涉及一种考虑多禁飞区约束的协同解析再入制导方法，属于航天技术、武器技术、制导控制领域。

背景技术

协同编队飞行技术对于提升体系作战效能具有重要意义，拥有广阔的应用前景，目前已经在无人机领域得到了广泛而深入的研究。但是，对于高超声速滑翔飞行器，编队飞行十分困难。因为此类飞行器初速很高，但无动力，需要通过适当的横向机动精确管理飞行能量。但对于具有不同起滑状态、受到不同程度干扰的飞行器，其速度衰减曲线和横向机动幅度均不相同，因而难以组成相对位置比较稳定的飞行编队。

在协同编队飞行技术方面，常见的编队形式有楔队、梯队、横队、纵队和V形等，可以实现协同侦察、防御和进攻等复杂任务。此外，通过利用领机产生旋涡中的上升气流，编队飞行还可以有效节省燃料，增加航程。但是，受速度和横向机动幅度的时变特性的制约，目前还没有可以有效应对高超声速滑翔飞行器协同编队飞行问题的理论和方法。

Yu W.，Chen W.，Analytical entry guidance for no-fly-zone avoidance(针对禁飞区规避的解析再入制导律)[J]Aerospace Science and Technology，2018，72：426-442.提出了具有高精度的地球旋转补偿模型，获得了性能更好的三维再入弹道解析解，然后基于解析解设计了渐增式的倾侧反转序列规划方案，实现了以较少的倾侧反转代价应对大量的禁飞区约束的目标。在本发明的以下说明中简称为文献一。

Gaxley C.，Atmospheric entry(大气层再入)[M].The RAND Corporation，1960.针对固定地球模型，给出了常值纵向升阻比条件下的飞行时间解析解。在本发明的以下说明中简称为文献二。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前还没有可以有效应对高超声速滑翔飞行器协同编队飞行的问题，提出一种考虑多禁飞区约束的协同解析再入制导方法，解决在多禁飞区环境中导引多个高超声速滑翔飞行器同时到达目标的协同飞行问题。

本发明的主要内容分为三个方面：(1)针对旋转地球模型，推导了高精度的飞行时间解析解；(2)针对单个飞行器，设计了考虑多禁飞区和抵达时间约束的解析再入制导方法；(3)针对多个飞行器，设计了多禁飞区环境中导引多个高超声速滑翔飞行器同时到达目标的协同飞行方案。其中，在解析再入制导方法设计时，控制终端速度和抵达时间均由纵向升阻比控制，因此在控制上是一个欠驱动问题，本文利用纵程解析解和时间解析解设计了一种能够兼顾能量管理要求和抵达时间要求的纵向参考剖面规划方法，可以有效解决此问题。

本发明一种考虑多禁飞区约束的协同解析再入制导方法，包括以下几个步骤：

步骤1：再入制导问题描述

这里采用圆球形旋转地球下的三维再入质点动力学模型，其中利用经度λ、纬度φ和高度H描述飞行器位置信息，而用速率V、弹道倾角γ和航向角ψ描述速度信息。

极高的飞行速度导致力热环境极其恶劣。因此，为了保证飞行器的各个子系统正常工作，再入飞行轨迹需要满足热流密度来流动压q、过载n约束。考虑到飞控系统能力有限，需要对攻角和倾侧角范围及变化率进行限制。除了常规约束，这里进一步考虑多个圆形禁飞区约束。