尹中杰，王 磊，楊建東，劉艷斌，王 楷，蔡克榮

（上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

0 引言

升力式飛行器是指能夠在20～70 km 高度進(jìn)行高機(jī)動(dòng)飛行，可執(zhí)行偵查與對(duì)抗等任務(wù)的飛行器。因其具有航程遠(yuǎn)、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，受到各國(guó)的重視?？紤]到升力式飛行器在滑翔過(guò)程中存在多方面的過(guò)程、終端約束，其中的航跡規(guī)劃以及跟蹤控制律設(shè)計(jì)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究［1-4］。

滑翔段航跡規(guī)劃是指在不違背熱流、動(dòng)壓、過(guò)載等各種約束的前提下，通過(guò)制導(dǎo)控制將升力式飛行器引導(dǎo)至中末制導(dǎo)交班點(diǎn)的工作。研究大致分為非線性?xún)?yōu)化、預(yù)測(cè)—校正、人工勢(shì)場(chǎng)法或啟發(fā)式4類(lèi)。在非線性?xún)?yōu)化方面，趙吉松等［5-9］基于配點(diǎn)法通過(guò)對(duì)控制、狀態(tài)變量進(jìn)行離散，構(gòu)建出一種非光滑軌跡優(yōu)化方法。周鼎等［10-13］利用考慮終端狀態(tài)的偽譜法將連續(xù)最優(yōu)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問(wèn)題，開(kāi)展非致命故障下的任務(wù)降級(jí)軌跡規(guī)劃問(wèn)題研究。該方法具有性能最優(yōu)、制導(dǎo)精度高的特點(diǎn)，但也存在強(qiáng)約束問(wèn)題易收斂至局部最優(yōu)解、優(yōu)化時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題。在預(yù)測(cè)—校正方面，都延麗等［14-16］基于確定傾側(cè)角翻轉(zhuǎn)位置的航路點(diǎn)制導(dǎo)律，提出基于能量剖面的軌跡規(guī)劃策略。在此基礎(chǔ)上，章吉力［17］引入預(yù)測(cè)落點(diǎn)偏差作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行指令求解，有效提升終端制導(dǎo)精度。此方法具備在線規(guī)劃能力，但由于傾側(cè)邏輯單一且不考慮能耗最優(yōu)等指標(biāo)，存在制導(dǎo)策略局限導(dǎo)致航程無(wú)法覆蓋全部能力范圍的問(wèn)題。隨著啟發(fā)式概念的升溫，空天飛行器軌跡設(shè)計(jì)逐漸智能化［18-19］。陳上上等［20-21］通過(guò)計(jì)算再入走廊邊界的解析解，將約束轉(zhuǎn)為對(duì)參考剖面剩余坐標(biāo)限制的指標(biāo)函數(shù)，完成采用粒子群優(yōu)化的軌跡規(guī)劃。但是粒子群優(yōu)化只得到航跡剖面而非控制參數(shù)剖面，存在粒子數(shù)少于實(shí)際需求導(dǎo)致制導(dǎo)精度不足，軌跡無(wú)法物理實(shí)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

在軌跡跟蹤制導(dǎo)律設(shè)計(jì)方面，李曉龍等［22-23］將高度回路轉(zhuǎn)化為二階無(wú)靜差系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高度跟蹤。在此基礎(chǔ)上，劉凱等［24-26］應(yīng)用期望極點(diǎn)配置完成軌跡誤差時(shí)變反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的期望極點(diǎn)并不能保證二階系統(tǒng)控制性能的全局適應(yīng)性，上述方法不適用于動(dòng)力學(xué)特性變化較大的全空域軌跡跟蹤。

綜上所述，考慮到現(xiàn)有方法在規(guī)劃并跟蹤有繞禁飛區(qū)需求、能量單調(diào)且冗余不足的升力式飛行器航跡時(shí)存在針對(duì)性不強(qiáng)的問(wèn)題，提出飛行策略預(yù)劃分手段，設(shè)計(jì)性能指標(biāo)最優(yōu)的多策略分段剖面函數(shù)。通過(guò)優(yōu)化剖面飛行攻角、傾側(cè)角剖面函數(shù)特征參數(shù)的方式將無(wú)窮維軌跡優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有限維參數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，完成多約束航跡規(guī)劃。同時(shí)，基于LQR 調(diào)節(jié)器以位移加權(quán)誤差最小為優(yōu)化指標(biāo)完成極點(diǎn)實(shí)時(shí)尋優(yōu)的軌跡跟蹤制導(dǎo)律二階系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而滿(mǎn)足全空域的高精度軌跡跟蹤。最后，通過(guò)拉偏情況的仿真，證明了方法的有效性。

1 動(dòng)力學(xué)建模與問(wèn)題描述

1.1 質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)模型

質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)模型在彈道坐標(biāo)系中建立，采用傾斜轉(zhuǎn)彎模式（Bank To Turn，BTT），全再入過(guò)程均為無(wú)動(dòng)力狀態(tài)，在球形大地假設(shè)下給出三維質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)模型：

式中：V為速度；θ為彈道傾角；ψ為彈道偏角；h為高度；λ為飛行器在地表投影點(diǎn)的經(jīng)度，?為飛行器在地表投影點(diǎn)的緯度；Re為地球半徑；g為重力加速度；m為飛行器的質(zhì)量；γ為傾側(cè)角；D為阻力；L為升力。

L和D的計(jì)算方法由式（2）給出：

式中：ρ為大氣密度，可以視為高度的函數(shù)；Sref為參考面積；CL、CD分別為升力和阻力系數(shù)。

1.2 多約束航跡規(guī)劃問(wèn)題描述

多約束航跡規(guī)劃是指在已知飛行器初始狀態(tài)的情況下，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足末端狀態(tài)和過(guò)程約束的攻角、傾側(cè)角剖面，并為飛行器裝訂滿(mǎn)足多種約束條件且性能指標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的控制參數(shù)，從而完成優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作。已知初始狀態(tài)和控制量為

為滿(mǎn)足特殊的任務(wù)需求以及飛行器動(dòng)力學(xué)特性，飛行全程將面臨著嚴(yán)格的過(guò)程約束，如動(dòng)壓Qv、距離特定禁飛區(qū)最小斜距ΔRi等，具體可以描述為以下形式：

除此之外，為確保在中末制導(dǎo)交班點(diǎn)飛行器狀態(tài)位于末制導(dǎo)窗口區(qū)間，需要設(shè)置如下的終端約束條件：

選用末速Vf最大作為性能指標(biāo)，則多約束航跡規(guī)劃問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為如下最優(yōu)控制問(wèn)題：

1.3 航跡跟蹤制導(dǎo)問(wèn)題描述

軌跡跟蹤制導(dǎo)問(wèn)題可以描述為對(duì)于給定的滑翔段標(biāo)稱(chēng)軌跡：

利用線性二次型控制器設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)如下的狀態(tài)反饋控制器：

狀態(tài)反饋控制器基于設(shè)定的綜合考慮制導(dǎo)控制偏差與偏差控制量積分的加權(quán)性能指標(biāo)函數(shù)：

計(jì)算滿(mǎn)足J最小的狀態(tài)反饋控制器系數(shù)，使得飛行器能夠用較小的加權(quán)偏差控制量確保實(shí)際飛行狀態(tài)與跟蹤標(biāo)稱(chēng)飛行軌跡中裝訂值總的偏差加權(quán)值最小。其中：

則軌跡跟蹤制導(dǎo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為如下的狀態(tài)反饋控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題：

2 多約束飛行航跡優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 飛行策略剖面設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有方法（見(jiàn)表1）存在的計(jì)算量大、物理約束不滿(mǎn)足問(wèn)題，本文基于策略預(yù)劃分手段分段設(shè)計(jì)策略剖面并優(yōu)化參數(shù)，將無(wú)窮維軌跡優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有限維參數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，找到一條末速最優(yōu)、又不違背各種約束的飛行軌跡，完成滑翔段強(qiáng)約束軌跡規(guī)劃?；瓒尾呗云拭娣譃榭v平面、橫側(cè)向兩部分，下面分階段給出具體策略剖面設(shè)計(jì)方案。

表1 方法對(duì)比表Tab.1 Comparison of methods

2.1.1 縱向平面飛行策略方案

升力式飛行器滑翔段動(dòng)力學(xué)特性差異明顯，所以對(duì)某一固定單一的飛行策略剖面進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化可能無(wú)法得到滿(mǎn)足約束的全局最優(yōu)、次最優(yōu)解。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，基于策略預(yù)劃分手段將滑翔段分為3部分，分別為高空高速段、中空中速段和低空低速段，對(duì)應(yīng)大攻角滑翔策略、定攻角策略和過(guò)渡段策略，通過(guò)分三段優(yōu)化攻角剖面參數(shù)的方式完成縱向剖面設(shè)計(jì)。

在大攻角滑翔段，考慮到滑翔段初期飛行高度高導(dǎo)致大氣密度低升重?zé)o法配平，為避免飛行器以較大的高度變化率下滑，軌跡整體高度過(guò)低導(dǎo)致航程縮減，過(guò)渡段采用固定大攻角下滑。彈道逐漸拉起后，待高度變化率為正后切換至定攻角飛行段。

在定攻角飛行段，考慮到該階段飛行時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)復(fù)雜的攻角剖面形式存在優(yōu)化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，所以采用定攻角模式飛行，幅值以末速最大為優(yōu)化指標(biāo)獲得，當(dāng)彈目相對(duì)距離Dr小于預(yù)設(shè)值Dr0后切換至過(guò)渡段。

在過(guò)渡段，考慮到中末制導(dǎo)交班點(diǎn)存在嚴(yán)格的高度、速度和彈道傾角約束，簡(jiǎn)化的定攻角優(yōu)化方式并不適用，所以采用多項(xiàng)式剖面。但為減小優(yōu)化維數(shù)，結(jié)合升阻系數(shù)計(jì)算方式（2），將攻角形式設(shè)置為與速度相關(guān)的函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，引入彈目距離Dr倒數(shù)為自變量的修正項(xiàng)，從而在彈目距離足夠小時(shí)對(duì)攻角進(jìn)行微調(diào)，確保終端條件得到滿(mǎn)足。

綜上，攻角剖面可以表示為以下形式：

式中：α1、α2、a3、a4為待優(yōu)化參數(shù)；C1為初始值為0的標(biāo)志位，若θ≥0°則恒為1。

飛行器首先由于C1默認(rèn)為0 且Dr>Dr0執(zhí)行α1指 令；當(dāng)C1變 為1 且Dr>Dr0時(shí)執(zhí)行α2指令，當(dāng)Dr≤Dr0后執(zhí)行α(V Dr)指令，攻角剖面如圖1所示。

圖1 攻角剖面Fig.1 Sketch of the attack angle section

2.1.2 橫側(cè)向平面飛行策略方案

由于制造業(yè)企業(yè)所得稅結(jié)構(gòu)受各國(guó)稅制結(jié)構(gòu)因素的影響，因而制造業(yè)企業(yè)在稅基設(shè)置、稅率水平、稅前扣除、稅收優(yōu)惠等方面也迥然不同。

橫側(cè)向平面策略函數(shù)優(yōu)化傾側(cè)角剖面γ(t DrΔRi)。首先，為確?；瓒文┒螐椀榔菨M(mǎn)足約束，設(shè)計(jì)自變量為彈目距離的彈道偏角過(guò)渡函數(shù)γc，通過(guò)平滑過(guò)渡的方式將彈道偏角轉(zhuǎn)至期望值ψf，確保在滑翔段末段彈道偏角滿(mǎn)足約束。

除此之外，為與禁飛區(qū)保持一定距離，設(shè)置了自變量為導(dǎo)彈與禁飛區(qū)斜距倒數(shù)的斥力場(chǎng)函數(shù)。當(dāng)相對(duì)距離小于預(yù)設(shè)值ΔRimin后加入修正指令Δγ，確保不會(huì)進(jìn)入禁飛區(qū)。

式中：b1、b2、b3、bi為待優(yōu)化參數(shù)。

2.2 非線性參數(shù)規(guī)劃算法

考慮只含有等式約束條件的非線性規(guī)劃問(wèn)題：

式中：c(x)為向量函數(shù)c(x)={c1(x)，c2(x)，…，cm(x)}T。

則拉格朗日函數(shù)為

可寫(xiě)成如下形式：

若矩陣Bk是Hessian 矩陣L(xk，λk)的良好近似，則下式成為擬牛頓法的迭代公式：

上述的SQP 法，理論上只具有局部收斂性，為使其具有整體收斂性，則：

具體算法流程如圖2 所示：

圖2 SQP 程序框圖Fig.2 Program chart of the SPQ algorithm

3 軌跡跟蹤制導(dǎo)律設(shè)計(jì)

將高度H、射擊系z(mì)項(xiàng)位移影響作為關(guān)注狀態(tài)量，引入位移微分項(xiàng)對(duì)狀態(tài)方程擴(kuò)維，沿飛行軌跡線性化可得：

描述為狀態(tài)空間形式為

考慮飛行過(guò)程中與標(biāo)稱(chēng)軌跡的偏差，沿著e(t)=0，(t)=0 進(jìn)行線性化可以得到

針對(duì)線性化后的時(shí)變系統(tǒng)，這里需要設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)反饋控制器：

通過(guò)線性二次型調(diào)節(jié)器配置反饋矩陣K，找到一組控制量u(t)。假設(shè)ATP+PA+Q+KTRK-KTBTP-PBK存在一個(gè)常量矩陣P使得：

令K=R-1BTP，則：

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)求解黎卡提方程得到矩陣P與控制參數(shù)K，軌跡跟蹤制導(dǎo)律為以下形式：

4 仿真分析

4.1 仿真輸入

假設(shè)飛行器初始點(diǎn)經(jīng)緯度為（0.0°，0.0°），計(jì)劃繞過(guò)經(jīng)緯度為（4.7°，0.5°）、經(jīng)緯度為（6.7°，0.7°）的兩個(gè)半徑為50 km 的禁飛區(qū)，并到達(dá)距離經(jīng)緯度為（11.3°，1.0°）的目標(biāo)點(diǎn)航程90 km 的中末制導(dǎo)交班點(diǎn)。結(jié)合上述情況，初始狀態(tài)見(jiàn)表2。

表2 初始狀態(tài)信息表Tab.2 Initial state information

這里設(shè)置如表3～表4 的過(guò)程、終端約束，以末速最大為優(yōu)化指標(biāo)，優(yōu)化滿(mǎn)足所有約束的滑翔段軌跡。

表3 過(guò)程約束信息表Tab.3 Process constraint information

表4 終端約束信息表Tab.4 Terminal constraint information

4.2 軌跡優(yōu)化仿真分析

滑翔軌跡如圖3 所示，由圖3 可知，飛行器能夠飛抵中末制導(dǎo)交班點(diǎn)，且能夠與上述禁飛區(qū)保持安全距離。

圖3 滑翔軌跡Fig.3 Gliding trajectory diagram

速度、高度-時(shí)間曲線如圖4 和圖5 所示，由圖4和圖5 可知，采用非線性參數(shù)優(yōu)化算法飛行時(shí)間約為470 s，最大高度為初始點(diǎn)的50 km，末速為1 406 m/s?？紤]到末速為本次優(yōu)化指標(biāo)，利用全局優(yōu)化算法進(jìn)行指標(biāo)檢驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展兩者的優(yōu)化計(jì)算效率對(duì)比分析。非線性參數(shù)規(guī)劃算法（470 s，1 406 m/s）相較于優(yōu)化算法（463 s，1 412 m/s）末速減小0.4%，但是優(yōu)化時(shí)間由原有162 s 減小為70 s，提升131.4%。

圖4 速度-時(shí)間曲線Fig.4 Speed-time curve

圖5 高度-時(shí)間曲線Fig.5 Height-time curve

彈道傾角-時(shí)間曲線如圖6 所示，由圖6 可知，標(biāo)稱(chēng)軌跡的終端彈道傾角為-3°位于終端約束范圍內(nèi)，飛行器狀態(tài)滿(mǎn)足中末制導(dǎo)交班條件。

圖6 彈道傾角-時(shí)間曲線Fig.6 Trajectory inclination angle-time curve

圖7 彈道偏角-時(shí)間曲線Fig.7 Trajectory declination angle-time curve

4.3 軌跡跟蹤仿真分析

考慮氣動(dòng)不確定性的軌跡跟蹤仿真分析，驗(yàn)證TLC 算法是否具有穩(wěn)定跟蹤標(biāo)稱(chēng)彈道的能力。功角、傾側(cè)角-時(shí)間曲線如圖8 和圖9 所示，由圖8 和圖9 可知，在升力系數(shù)10%、阻力系數(shù)20%偏差的情況下，TLC 算法能夠基于當(dāng)前時(shí)刻的位置、速度偏差解算修正指令，使得跟蹤誤差不發(fā)散。

圖8 攻角-時(shí)間曲線Fig.8 Attack angle-time curve

圖9 傾側(cè)角-時(shí)間曲線Fig.9 Pitch angle-time curve

高度誤差、Z向位置誤差如圖10 和圖11 所示，由圖10 和圖11 可知，飛行器在拉偏情況下，實(shí)際軌跡與標(biāo)稱(chēng)軌跡Y、Z軸誤差全程均小于0.1 km，基于TLC 算法得到修正指令后能夠穩(wěn)定跟蹤原有軌跡，從而確保飛行器精確到達(dá)中末制導(dǎo)交班點(diǎn)。

圖10 高度誤差-時(shí)間曲線Fig.10 Height error-time curve

圖11 Z 向位置誤差Fig.11 Position error along the Z-axis

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)升力式飛行器滑翔段多約束航跡規(guī)劃問(wèn)題，首先結(jié)合飛行器不同空域的任務(wù)需求及彈道特性，基于飛行策略預(yù)劃分手段提出針對(duì)不同飛行狀態(tài)的攻角、傾側(cè)角分段剖面函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，利用序列二次規(guī)劃方法通過(guò)優(yōu)化滿(mǎn)足過(guò)程、終端約束的剖面函數(shù)特征參數(shù)的方式，得到性能指標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的控制構(gòu)型剖面，從而完成多約束航跡規(guī)劃。最后，通過(guò)線性二次型控調(diào)節(jié)器實(shí)時(shí)解算位移誤差加權(quán)值最小的狀態(tài)跟蹤反饋控制器系數(shù)，完成考慮氣動(dòng)不確定性的軌跡跟蹤制導(dǎo)律設(shè)計(jì)，從而為升力式飛行器多約束航跡規(guī)劃方案提供具備工程實(shí)用價(jià)值的技術(shù)途徑。