[发明专利]快速响应的高超声速飞行器轨迹优化高精度控制器

说明书

本发明公开了快速响应的高超声速飞行器轨迹优化高精度控制器，用于对飞行器轨迹进行控制。所述的快速响应的高超声速飞行器轨迹优化高精度控制器由飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器、飞行器水平飞行距离传感器、飞行器微控制单元(MCU)、飞行器攻角控制器构成。高超声速飞行器到达再入段空域后，飞行器MCU自动执行内部优化算法，得到使高超声速飞行器航程最远的轨迹优化控制策略，飞行器MCU将获得的控制策略转换为控制指令发送给飞行器攻角控制器执行。本发明能够根据高超声速飞行器不同的海拔高度、速度、飞行航道倾角和飞行水平距离状态快速地得到轨迹优化控制策略，使高超声速飞行器获得更远航程。

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器再入段轨迹优化领域，尤其涉及快速响应的高超声速飞行器轨迹优化高精度控制器。在高超声速飞行器到达再入段后能够给出高超声速飞行器轨迹优化控制策略并转换为飞行器攻角控制指令，在满足安全要求的条件下，使高超声速飞行器获得更长的水平飞行距离。

背景技术

高超声速飞行器是实现远程快速精确打击和全球快速到达的新型飞行器，在未来的军事、政治和经济中具有十分重要的战略地位，已经成为世界航空航天领域一个极其重要的发展方向，是世界主要航天大国的竞争领域之一。研究和发展高超声速飞行器在开发太空和国家安全方面具有非常重要的意义。

在高超声速飞行器的研究中，轨迹优化是现代飞行器设计和控制的重要内容，不仅有利于提高飞行器飞行品质以满足既定任务要求，同时也是完成飞行任务的重要保证和实现机动飞行的必要条件，近些年来一直受到国内外各军事强国的重视，是当前国内外研究的热点和难点。

由于从飞行器从外缘进入大气层，高度和速度的变化范围很大，高超声速飞行器面临各种严峻的再入环境，再入段轨迹优化技术则是保证高超声速飞行器顺利完成飞行任务的关键，对提高其打击范围和落点精度具有重要的实用价值。因此，研究高效的高超声速飞行器再入段轨迹优化方法显得尤为重要。

发明内容

为了使高超声速飞行器获得更远的航程，提高高超声速飞行器的打击范围，本发明的目的在于提供一种实现快速响应的高超声速飞行器轨迹优化高精度控制器。该控制器借助MCU作为最优控制方法的实现载体。高超声速飞行器再入段轨迹优化问题飞行过程可以用数学模型描述为：

其中t表示时间，t₀表示高超声速飞行器再入段轨迹优化问题飞行过程开始时间，t_f表示高超声速飞行器再入段轨迹优化问题飞行过程结束时间，且t_f不固定；被称为状态变量，依次表示飞行器海拔高度、飞行器速度、飞行器飞行航道倾角、飞行器水平飞行距离等物理参数，n_x为状态变量的维度，这里n_x＝4。x₀是状态向量的初始值，是其一阶导数；u(t)表示高超声速飞行器的攻角控制量，为本问题的控制变量，u_l、u_u分别为其下限值和上限值；是根据能量守恒以及力学原理建立的微分方程组；G[u(t),x(t),t]是高超声速飞行器再入段过程中必须满足的不等式路径约束条件。

对于高超声速飞行器再入段过程，使航程最大的数学模型可表示为：

其中J[u(t)]表示目标函数J由攻角控制量u(t)决定。该问题本质上是一个最优控制问题。