一种基于滚动时域的最优跟踪制导方法技术

一种基于滚动时域的最优跟踪制导方法，属于飞行器制导与控制领域，解决了解决飞行器非线性最优在线弹道跟踪问题。最优跟踪制导方法包括：基于运动学模型进行轨迹跟踪，获得状态量偏差、控制矢量偏差；利用状态量偏差、控制矢量偏差，对运动学模型线性化；基于线性化后的运动学模型，在满足终端约束的情况下，求解最优控制目标函数使其最小，即获得制导指令。本发明专利技术通过小扰动线性化处理，将轨迹跟踪问题构建为一个凸二次规划问题，以轨迹跟踪误差最小为性能质保，能够实时生成最优跟踪指令，提升轨迹跟踪精度。轨迹跟踪精度。轨迹跟踪精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于滚动时域的最优跟踪制导方法


[0001]本专利技术涉及一种基于滚动时域的最优跟踪制导方法，属于飞行器制导与控制领域。

技术介绍

[0002]随着飞行器在飞行过程中可能出现的大范围扰动、气动影响等复杂情况需求，要求飞行器需自主地实现轨迹规划并实现跟踪制导，最终满足快速、低成本、可靠、高精度完成有效载荷投送任务。现有技术方案存在以下不足：1）控制系统应对大范围扰动的能力不足；2）发射准备周期长，难以高效率的满足快速发射需求；3）控制系统的任务适应能力不足，难以适应多样化投送弹道的制导需求。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，解决了解决飞行器非线性最优在线弹道跟踪问题。
[0004]本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种基于滚动时域的最优跟踪制导方法，包括：基于运动学模型进行轨迹跟踪，获得状态量偏差、控制矢量偏差；利用状态量偏差、控制矢量偏差，对运动学模型线性化；基于线性化后的运动学模型，在满足终端约束的情况下，求解最优控制目标函数使其最小，即获得制导指令。
[0005]优选的，采用内点法求解最优控制目标函数。
[0006]优选的，所述基于滚动时域是指：从初始时刻开始，测量出当前时刻的系统状态，根据当前时刻和未来时间区间内的系统约束，在某一时间间隔下求解最优控制目标函数，解算得到未来时间区间内的控制序列，其中将该时间间隔记为滚动时域长度；将所述控制序列用于下一个制导周期，并在下一个制导周期内，重复上述过程解算新的控制序列。/>[0007]优选的，当解算新的控制序列的周期小于制导周期时，在某一制导周期内，完成控制序列过程解算后，利用新解算出的控制序列替换该制导周期内尚未执行的控制序列。
[0008]优选的，所述终端约束包括终端位置和终端速度。
[0009]优选的，所述状态量偏差为：其中，为t时刻标称轨迹的状态矢量，为t时刻飞行器当前状态矢量，为状态量偏差，为空间矢量。
[0010]优选的，所述控制矢量偏差为：
其中为实际运动中控制矢量，为标称轨迹的控制矢量，为控制矢量偏差，为空间矢量。
[0011]优选的，所述最优控制目标函数为：约束如下：其中，为当前时刻，为终端约束对应时刻，为时刻状态量偏差， 为t时刻控制矢量偏差；为6
×
6系数矩阵，为6
×
2系数矩阵，两个系数矩阵可通过飞行器当前飞行状态求得；、为当前时刻速度及位置，、为终端时刻位置及速度，为控制矢量限幅值，为位置函数，为速度函数。
[0012]优选的，所述滚动时域长度根据飞行高度确定，当飞行高度属于环境扰动剧烈情况时，滚动时域长度较短，当飞行高度属于环境平稳情况时，滚动时域长度较长。
[0013]优选的，所述滚动时域长度具体为：其中，为滚动时域长度，；、及按如下方式计算：首先计算，然后计算，， （）
其中，为的变化量, 为的初值，为的终值，为的调整的最大变化率，为调整所需要的时间，为调整过程系数1，为调整过程系数2，t为相对于调整的起始时刻计时，调整的初值为5，终值为4，为0.2；调整的初值为4，终值为5，为0.15；调整的初值为5，终值为6.5，为0.1，为飞行高度。
[0014]本专利技术相比于现有技术具有如下有益效果：（1）通过小扰动线性化处理，将轨迹跟踪问题构建为一个凸二次规划问题，以轨迹跟踪误差最小为性能质保，能够实时生成最优跟踪指令，提升轨迹跟踪精度；（2）基于滚动时域思想，并实时执行第一指令序列，可以在制导指令解算时缩短所跟踪的轨迹长度，提升指令解算时间，求解时间可小于10ms，满足任务的制导周期要求；（3）本专利技术在具有类似制导要求的的制导任务中具有先进性与普适性，对解决目前多样化弹道的实时跟踪具有实际的意义；（4）本专利技术结合凸优化理论的快速收敛特性，通过建立基于凸优化理论的大气层内非线性最优制导理论，解决飞行器非线性最优在线弹道跟踪这一基础性问题，实现了基于凸优化的轨迹跟踪最优制导；（5）本专利技术方法除可实现弹道跟踪制导最优控制问题外，还可根据当前各项扰动与误差，实时的对制导指令进行修正更新，其制导系统的鲁棒性更强。
附图说明
[0015]图1为基于滚动时域的最优跟踪制导控制策略图。
[0016]图2为垂向位置跟踪效果图。
[0017]图3为速度跟踪效果图。
[0018]图4为垂向位置跟踪误差图。
[0019]图5为速度跟踪误差图。
[0020]图6为俯仰角跟踪结果曲线。
具体实施方式
[0021]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。
[0022]基于滚动时域的最优跟踪制导方法：（1）运动学模型最优跟踪制导采用运动学模型如下所示：
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(1)其中，为位置矢量，、及为三个方向的位置， 为速度矢量，、及为、及三个方向的速度，为飞行器质量，、及为三个方向的重力加速度，代表飞行器发动机推力，为发动机推力的标量代表推力的大小。为飞行器发动机比冲，为海平面的重力加速度大小。为飞行器气动力在三个方面的分量。为俯仰角，为偏航角，为飞行时间。
[0023]（2）状态方程基于运动学模型进行轨迹跟踪时，可得到状态量偏差为
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（2）其中，为时刻标称轨迹的状态矢量，为时刻飞行器当前状态矢量，为状态量偏差，为空间矢量。
[0024]控制矢量偏差为
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（3）其中为时刻实际运动中控制矢量，为时刻标称轨迹的控制矢量，为控制矢量偏差，为空间矢量。
[0025]依据运动学模型对标称轨迹进行小扰动线性化处理可得：
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（4）其中，为6
×
6系数矩阵，为6
×
2系数矩阵，其中系数可通过飞行器当前飞行状态求得。
[0026]3）终端最优假设考虑终端约束并使跟踪制导过程中控制量修正量最小，可将最优控制问题目标函数设为如下形式：
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（5）其中，为当前时刻，为终端约束对应时刻，为控制矢量偏差的转置，为终端状态矢量偏差的转置。
[0027]基于线性化后的运动学模型式（4），在满足终端约束的情况下使得目标函数式（5）最小，可得到如下形式：约束如下：
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（6）其中，、为当前时刻速度及位置，、为终端时刻位置及速度，为控制矢量限幅值。式（6）描述的最优跟踪制导控制问题可通过内点法对其进行快速求解并得到制导指令。
[0028]（4）滚动时域控制在式（6）的基础上根据当前模型参数偏差、气动偏差及大气参数偏差对制导指令进行优化，采用基于滚动时域的方法实时进行快速求解。
[0029]1）固定时域内的求最优解在初始i时刻，测量出当前时刻的系统状态，根据当前时刻和未来时间区间内的多种系统约束（如速度及位置等），在一个固定时间间隔内可求解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于滚动时域的最优跟踪制导方法，其特征在于，包括：基于运动学模型进行轨迹跟踪，获得状态量偏差、控制矢量偏差；利用状态量偏差、控制矢量偏差，对运动学模型线性化；基于线性化后的运动学模型，在满足终端约束的情况下，求解最优控制目标函数使其最小，即获得制导指令。2.根据权利要求1所述的最优跟踪制导方法，其特征在于，采用内点法求解最优控制目标函数。3.根据权利要求2所述的最优跟踪制导方法，其特征在于，所述基于滚动时域是指：从初始时刻开始，测量出当前时刻的系统状态，根据当前时刻和未来时间区间内的系统约束，在某一时间间隔下求解最优控制目标函数，解算得到未来时间区间内的控制序列，其中将该时间间隔记为滚动时域长度；将所述控制序列用于下一个制导周期，并在下一个制导周期内，重复上述过程解算新的控制序列。4.根据权利要求3所述的最优跟踪制导方法，其特征在于，当解算新的控制序列的周期小于制导周期时，在某一制导周期内，完成控制序列过程解算后，利用新解算出的控制序列替换该制导周期内尚未执行的控制序列。5.根据权利要求1所述的最优跟踪制导方法，其特征在于，所述终端约束包括终端位置和终端速度。6.根据权利要求1所述的最优跟踪制导方法，其特征在于，所述状态量偏差为：其中，为t时刻标称轨迹的状态矢量，为t时刻飞行器当前状态矢量，为状态量偏差，为空间矢量。7.根据权利要求1所述的最优跟踪制导方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：程晓明，靳蕊溪，禹春梅，张惠平，陈曦，柳嘉润，李明华，郑卓，杨庆军，
申请(专利权)人：北京航天自动控制研究所，
类型：发明
国别省市：