亚轨道飞行器返回轨迹快速优化

2012-05-11王文虎

航天控制 2012年2期

关键词：优化

王文虎

中北大学机电工程学院，太原 030051

亚轨道飞行器(Suborbital Launch Vehicle，SLV)是指从地面发射，在亚轨道空间运行作业，然后重返地面的跨大气层可重复使用飞行器[1]。SLV返回段具有飞行高度低、任务多样性、飞行环境多变的特点。

快速、准确、鲁棒的SLV返回轨迹优化可以实现快速任务规划从而极大地降低成本。返回轨迹优化本质是求解一类高度复杂的最优控制问题。常见的数值方法主要包括间接法和直接法。近年来，直接法中的伪谱法因其求解精度高、收敛速度快、具有很好的鲁棒性而备受关注[2]。伪谱法主要有：勒让德伪谱法(Legendre Pseudospectral Method, LPM)、拉道伪谱法(Radau Pseudospectral Method, RPM)和高斯伪谱法(Gauss Pseudospectral Method, GPM)。

国内外关于GPM及LPM研究较多，而RPM国内未见相关文献。Huntington[3]对上述3种伪谱法在计算效率和精度方面进行了比较，但所用的RPM是向后Radau伪谱法，并且算例较为简单，没有比较各种伪谱法在处理复杂问题时的能力。目前，国内外还没有文献对向前RPM与GPM进行过比较。

本文针对亚轨道飞行器，分别采用GPM和向前RPM进行了SLV返回轨迹快速优化研究，同时对2种伪谱法进行了比较分析。结果表明，Gauss伪谱法在处理含控制量约束的问题时比向前Radau伪谱法更具优势。