可重復(fù)使用運載器再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能評估方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及飛行器制導(dǎo)與控制領(lǐng)域，為在后期分析不同方案的優(yōu)勢和存在的問題、指出各自的改進(jìn)方向以及為飛行器總體方案的最終確定提供客觀的評判依據(jù)，大大加快RLV再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的研制速度。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，可重復(fù)使用運載器再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能測評方法，包括如下步驟：首先，分析RLV再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，給出各指標(biāo)的評分準(zhǔn)則及相應(yīng)的歸一化方法；然后，分別建立再入制導(dǎo)系統(tǒng)和再入控制系統(tǒng)的性能評估指標(biāo)體系，并將體系分為三個層次結(jié)構(gòu)；再次，通過兩兩判斷矩陣及特征根法，得到RLV再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的最終得分。本發(fā)明主要應(yīng)用于飛行器制導(dǎo)與控制。
【專利說明】可重復(fù)使用運載器再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能評估方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及飛行器制導(dǎo)與控制領(lǐng)域，尤其涉及一種可重復(fù)使用運載器再入制導(dǎo)與 控制系統(tǒng)性能評估方法。 技術(shù)背景
[0002] 可重復(fù)使用運載器（Reusable Launch Vehicle, RLV)是指能夠快速穿越大氣層、 自由往返于地球與太空之間且可以重復(fù)使用的多用途飛行器。它既可快速、便利地向太空 運送有效載荷，又可再入大氣層、降落到指定著陸點，是實現(xiàn)快速、可靠、廉價往返太空的重 要途徑，有著巨大的軍事和民用價值。
[0003] 再入制導(dǎo)與控制技術(shù)是RLV研制中的關(guān)鍵技術(shù)之一。再入制導(dǎo)系統(tǒng)通過給姿態(tài)控 制系統(tǒng)提供制導(dǎo)指令，將飛行器準(zhǔn)確地從再入初始點導(dǎo)引到指定的目標(biāo)點，并保證飛行器 在再入過程中不違背熱流率、熱負(fù)荷、過載、動壓等約束條件。再入控制系統(tǒng)的主要作用是 穩(wěn)定和控制再入飛行姿態(tài)，完成制導(dǎo)系統(tǒng)給出的姿態(tài)指令。
[0004] 由于RLV再入過程外界環(huán)境變化劇烈，再入飛行具有大空域、大包線的特點，使飛 行器存在著模型參數(shù)不確定以及外界干擾。其次，再入飛行姿態(tài)和軌跡的耦合以及三個姿 態(tài)通道間的耦合非常嚴(yán)重。這使得RLV再入過程整體上體現(xiàn)為一個高度非線性、強(qiáng)耦合且 受不確定影響的復(fù)雜系統(tǒng)，這對飛行器再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)提出了更高的性能要求。在現(xiàn) 實情況下，飛行試驗投資巨大，為確保試驗的成功并盡量縮減成本，再入過程必須選用最優(yōu) 的制導(dǎo)與控制方案。故針對再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)提出一種有效的性能評估方法顯得極為必 要。
[0005] 另外，隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的高速發(fā)展，使其在先進(jìn)飛行器的研制工作中發(fā)揮著 越來越重要的作用，因此，將計算機(jī)仿真技術(shù)融入到RLV再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的性能評估 當(dāng)中是必然趨勢。通過設(shè)計開發(fā)評估軟件可以實現(xiàn)再入飛行分析、再入制導(dǎo)與控制性能評 價等功能。
[0006] 然而，目前尚無典型有效的關(guān)于RLV再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)評估方面的技術(shù)。因此， 提出一種RLV再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的性能評估方法并設(shè)計開發(fā)相應(yīng)的評估軟件進(jìn)行實現(xiàn) 具有極高的理論意義和實用價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種可重復(fù)使用運載器再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的性 能評估方法并通過設(shè)計開發(fā)評估軟件進(jìn)行實現(xiàn)。通過評估結(jié)果可以為后期分析不同方案的 優(yōu)勢和存在的問題、指出各自的改進(jìn)方向以及為飛行器總體方案的最終確定提供客觀的評 判依據(jù)。另外，通過評估軟件顯著的提高飛行分析效率，減少不必要的時間浪費，大大加快 RLV再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的研制速度。為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，可重復(fù)使用運載器 再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能評估方法，包括如下步驟：
[0008] 首先，分析RLV再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，以此選取有效的性能評估指標(biāo)， 并按照RLV的再入任務(wù)給出各指標(biāo)的評分準(zhǔn)則及相應(yīng)的歸一化方法；
[0009] 然后，分別建立再入制導(dǎo)系統(tǒng)和再入控制系統(tǒng)的性能評估指標(biāo)體系，并將體系分 為目標(biāo)層即再入段制導(dǎo)\控制系統(tǒng)性能評估、包括再入制導(dǎo)\控制系統(tǒng)的所有關(guān)鍵性能的 準(zhǔn)則層和包括所有再入制導(dǎo)\控制系統(tǒng)性能評估指標(biāo)的指標(biāo)層三個層次結(jié)構(gòu)；
[0010] 再次，通過兩兩判斷矩陣及特征根法，分別計算目標(biāo)層、準(zhǔn)則層以及指標(biāo)層的權(quán)重 矩陣，并通過加權(quán)評估算法得到RLV再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的最終得分；
[0011] 最后，通過運用基于c#. NET和Matlab結(jié)合的混合開發(fā)方式，以軟件形式實現(xiàn)上述 各步驟。
[0012] 再入制導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能如下：滿足過程約束的能力；滿足控制量約束的能力； 滿足狀態(tài)量約束的能力；末端落點位置、速度、角度精度；制導(dǎo)算法的工程實用性。
[0013] 再入控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性能如下：?兩足控制約束的能力；控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；控 制系統(tǒng)的動態(tài)性能。
[0014] 選取的RLV再入段制導(dǎo)系統(tǒng)性能評估指標(biāo)及相應(yīng)的指標(biāo)描述如下：
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種可重復(fù)使用運載器再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能評估方法：其特征是，包括如下步 驟： 首先，分析RLV再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性能，以此選取有效的性能評估指標(biāo)，并按 照RLV的再入任務(wù)給出各指標(biāo)的評分準(zhǔn)則及相應(yīng)的歸一化方法，RLV是Reusable Launch Vehicle的英文縮寫，代表可重復(fù)使用運載器； 然后，分別建立再入制導(dǎo)系統(tǒng)和再入控制系統(tǒng)的性能評估指標(biāo)體系，并將體系分為目 標(biāo)層即再入段制導(dǎo)\控制系統(tǒng)性能評估、包括再入制導(dǎo)\控制系統(tǒng)的所有關(guān)鍵性能的準(zhǔn)則 層和包括所有再入制導(dǎo)\控制系統(tǒng)性能評估指標(biāo)的指標(biāo)層三個層次結(jié)構(gòu)； 再次，通過兩兩判斷矩陣及特征根法，分別計算目標(biāo)層、準(zhǔn)則層以及指標(biāo)層的權(quán)重矩 陣，并通過加權(quán)評估算法得到RLV再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的最終得分； 最后，通過運用基于C#. NET和Matlab結(jié)合的混合開發(fā)方式，設(shè)計評估軟件進(jìn)行實現(xiàn)。
2. 如權(quán)利要求1所述的可重復(fù)使用運載器再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能評估方法：其特征 是，再入制導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能如下：滿足過程約束的能力；滿足控制量約束的能力；滿足狀 態(tài)量約束的能力；末端落點位置、速度、角度精度；制導(dǎo)算法的工程實用性；再入控制系統(tǒng) 的關(guān)鍵性能如下：滿足控制約束的能力；控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。
3. 如權(quán)利要求1所述的可重復(fù)使用運載器再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能評估方法：其特征 是，選取的RLV再入段制導(dǎo)系統(tǒng)性能評估指標(biāo)及相應(yīng)的指標(biāo)描述如下：
選取的RLV再入段控制系統(tǒng)評估指標(biāo)及相應(yīng)的指標(biāo)描述如下：
4.如權(quán)利要求1所述的可重復(fù)使用運載器再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能評估方法：其特征 是，指標(biāo)的歸一化處理包括： 方法1 :適用于成本型指標(biāo)，即希望數(shù)值越小越好，包括攻角變化率、側(cè)傾角變化率、航 跡角變化率、末端1?度偏差、末端速度偏差、末端航向角偏差、末端航跡角偏差。對于評估系 統(tǒng)的每個指標(biāo)Xi，設(shè)定其上界X max，代表控制系統(tǒng)所應(yīng)該達(dá)到的控制性能下限；設(shè)定其下界 xmin，代表控制系統(tǒng)所能達(dá)到的理想性能上界，為了實現(xiàn)歸一化，對于指標(biāo)Xi，當(dāng)其值大于上 界X max時，規(guī)定其歸一值為〇,即： Ji = 〇,當(dāng) Xi〉XmaX 當(dāng)指標(biāo)Xi其值小于下界Xmin時，規(guī)定其歸一值為1，即： Ji = 1，當(dāng) Xi〈Xmin 當(dāng)指標(biāo)Xi的值介于上界Xmax與下界Xmin之間，將其線性插值作為該指標(biāo)的歸一值，即：
'當(dāng) Xmin < Xi < Xmax 方法2 :適用于成本型指標(biāo)，即希望指標(biāo)數(shù)值越小越好，但并不需對這些指標(biāo)有嚴(yán)格的 區(qū)分度，只需要其不超過規(guī)定上界即可，包括過載、熱流密度、總吸熱量、攻角、側(cè)傾角、側(cè)滑 角；只要指標(biāo)\其值不超過指定上界Xmax，就認(rèn)為其性能表現(xiàn)滿足要求，規(guī)定其歸一值為1， 即： Ji = 1，當(dāng) Xi < XmaX 當(dāng)指標(biāo)Xi其值大于指定上界Xmax時，規(guī)定其歸一值為〇,即： Ji = 0,當(dāng) Xi〉XmaX 方法3 :適用于指標(biāo)只要滿足指定的約束上界和下界即可，不必對指標(biāo)滿足約束的能 力進(jìn)行區(qū)分，只要指標(biāo)Xi其值不超過指定上界和指定下界xmin，就認(rèn)為其性能表現(xiàn)滿足 要求，規(guī)定其歸一值為1，即： Ji = 1，當(dāng) Xmin < Xi < XmaX 若指標(biāo)Xi其值超過指定上界Xmax或者超過指定下界Xmin時，就認(rèn)為其性能表現(xiàn)不滿足 要求，規(guī)定其歸一值為0,即： Ji 一 〇,當(dāng) Xi〉Xmax 或 Xi〈Xmin。
5. 如權(quán)利要求1所述的可重復(fù)使用運載器再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能評估方法：其特征 是，RLV再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能評估可采用自上而下的順序，步驟如下： ① 通過RLV再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)仿真獲得每個評估指標(biāo)值，并依據(jù)提出的指標(biāo)歸一化 方法對每個指標(biāo)做相應(yīng)的歸一化處理，最終獲得經(jīng)過歸一化處理的η個指標(biāo)值1，上…J n， 指標(biāo)值向量J = [Λ J2…Jn]; ② 通過兩兩判斷矩陣及特征根法，分別計算性能評估指標(biāo)體系中的目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和 指標(biāo)層的權(quán)重矩陣；權(quán)重矩陣的計算具體是，利用特征根法從判斷矩陣中計算出每個指標(biāo) 相對于上一層元素的相對權(quán)重，這里采用特征根法計算權(quán)重的方法為求解判斷矩陣A的特 征根問題，即 AW = λ maxff 式中，λ max是A的最大特征根，W是相應(yīng)的最大特征根的特征矩陣； ③ 利用計算得到的指標(biāo)歸一值和權(quán)重矩陣，通過加權(quán)評估算法得到RLV再入制導(dǎo)與控 制系統(tǒng)的最終評估結(jié)果，即評估結(jié)果：E = J · W。
6. 如權(quán)利要求1所述的可重復(fù)使用運載器再入制導(dǎo)與控制系統(tǒng)性能評估方法：其特 征是，軟件形式實現(xiàn)上述各步驟還包括：將用戶配置的參數(shù)和首先到再次各步驟加載到 Matlab環(huán)境下進(jìn)行實現(xiàn)，同時利用C#開發(fā)主界面進(jìn)行結(jié)果顯示。
【文檔編號】G06F17/50GK104156538SQ201410415835
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月21日
【發(fā)明者】宗群, 董琦, 徐銳, 楊琪琛, 曲照偉 申請人:天津大學(xué)