控制约束下的高超声速飞行器轨迹优化策略

doi:10.12305/j.issn.1001-506X.2025.05.26

系统工程与电子技术 ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (5): 1646-1654.doi: 10.12305/j.issn.1001-506X.2025.05.26

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控制约束下的高超声速飞行器轨迹优化策略

黄迅¹, 陈柏屹¹^,*, 彭寿勇², 刘燕斌¹, 杨犇¹, 庞浩然¹

1. 南京航空航天大学航天学院, 江苏南京 211106
2. 北京空天技术研究所, 北京 100074

收稿日期:2024-06-05 出版日期:2025-06-11 发布日期:2025-06-18
通讯作者: 陈柏屹
作者简介:黄迅(2000—), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为高超飞行器控制及一体化融合设计、空天变构型飞行器建模与控制
陈柏屹(1989—), 男, 副教授, 博士, 主要研究方向为高超声速飞行控制、变体飞行协调控制
彭寿勇(1978—), 男, 研究员, 博士, 主要研究方向为飞行器制导控制系统设计、一体化控制、评估与验证
刘燕斌(1980—), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为高超飞行器控制及一体化融合设计、空天变构型飞行器建模与控制
杨犇(1998—), 男, 博士研究生, 主要研究方向为高超声速飞行器建模与控制
庞浩然(2001—), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为高超声速飞行控制、智能建模
基金资助:
国家自然科学基金(52272369);基础前沿寻宝项目(JCKY2022603C016)

Trajectory optimization strategy for hypersonic vehicle under control constraints

Xun HUANG¹, Boyi CHEN¹^,*, Shouyong PENG², Yanbin LIU¹, Ben YANG¹, Haoran PANG¹

1. College of Astronautics, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China
2. Beijing Aerospace Technology Institute, Beijing 100074, China

Received:2024-06-05 Online:2025-06-11 Published:2025-06-18
Contact: Boyi CHEN

摘要/Abstract

摘要：

高超声速飞行器因具有飞行速度快、机动性强等特点, 其轨迹规划问题的研究需要考虑诸如飞行器燃油、飞行安全等多方面的影响因素和约束条件。采用一体化飞/推耦合飞行器建模, 通过研究飞行器的控制约束条件, 提出一种基于轨迹设计控制约束的自适应伪谱法轨迹优化策略。仿真对比结果表明, 改进后的轨迹优化策略能提供较大的控制裕度, 保证了飞行器在爬升过程中的稳定性和可控性, 在综合性能上更具优势。

关键词: 高超声速飞行器, 约束条件, 轨迹设计, 轨迹优化, 控制裕度

Abstract:

Due to the characteristics of fast flight speed and strong maneuverability, the research on trajectory planning of hypersonic vehicle needs to consider various influencing factors and constraints such as vehicle fuel and flight safety. This article adopts integrated flight/propulsion coupling vehicle modeling, and proposes an adaptive pseudospectral trajectory optimization strategy based on trajectory design control constraints by studying the control constraints of the vehicle. Simulation comparison shows that the improved trajectory optimization strategy can provide more control margin, enabling the vehicle to climb steadily and relatively during the climb process and has more advantages in overall performance.

Key words: hypersonic vehicle, constraint condition, trajectory design, trajectory optimization, control margin

中图分类号:

V249.1

黄迅, 陈柏屹, 彭寿勇, 刘燕斌, 杨犇, 庞浩然. 控制约束下的高超声速飞行器轨迹优化策略[J]. 系统工程与电子技术, 2025, 47(5): 1646-1654.

Xun HUANG, Boyi CHEN, Shouyong PENG, Yanbin LIU, Ben YANG, Haoran PANG. Trajectory optimization strategy for hypersonic vehicle under control constraints[J]. Systems Engineering and Electronics, 2025, 47(5): 1646-1654.

图/表 18

表1

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参考文献 31

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状态量	气动系数
状态量	C_L	C_D	C_m	C_T
α	一次函数	二次函数	二次函数	一次函数
δ_e	一次函数	二次函数	一次函数	弱关系
ϕ	弱关系	弱关系	弱关系	一次函数

气动系数	拟合优度
C_L	0.990 8
C_D	0.980 4
C_m	0.983 6
C_T	0.947 8

参数	下界	上界	参数	下界	上界
α	－1	6	q	－10	10
γ	－5	5	θ	－10	10

参数	下界	上界
Q/(W/m²)	—	5×10⁵
${\bar q}$/Pa	2.4×10⁴	9.5×10⁴
n_z/g	—	3.5

阶段	初始高度/m	末端高度/m	初始速度/Ma	末端速度/Ma	动压/Pa
等动压爬升段	23 408	25 769	6.5	7.8	95 000
等马赫爬升段	25 769	26 495	6.5	7.8	－

控制约束下的高超声速飞行器轨迹优化策略

Trajectory optimization strategy for hypersonic vehicle under control constraints

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约束	上界	下界
控制约束/((°)/s)	0.35	－0.35
状态约束/(°)	14	10

规划策略	质量初值/kg	质量终值/kg	燃油消耗/kg	时间消耗/s
轨迹设计	16 680	14 642	2 038	597
轨迹优化	16 680	15 674	1 006	263
改进轨迹优化	16 680	15 469	1 211	318

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