平流层飞艇动力学建模与航迹优化研究

123456aa · 发表于 2022-4-25 13:29:00

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平流层飞艇是一种能够长时间定点驻留在18~22km的平流层飞行器。作为平流层定点平台，可以在平流层提供监视、通讯中继、对地观测以及环境监测等功能，具有很高的军事与民用价值，目前已成为国内外研究的热点。由于平流层飞艇具有飞行速度低、爬升率小、惯性大等特性，其飞行易受大气风场等环境因素的影响，因此需要对其飞行航迹进行设计与规划。本文围绕平流层飞艇空间运动的动力学建模与航迹优化展开，深入研究平流层飞艇从地面上升到驻留位置这一过程的航迹优化题目。采用数值求解的方法获得了在不同性能指标下的最优飞行航迹，从而为平流层飞艇轨迹跟踪器的设计提供参考航迹。首先，基于机理建模的方法建立了平流层飞艇空间运动的动力学模型，并给出大气环境参数变化的标准模型以及大气稳态风场的统计模型；其次，在详细分析平流层飞艇的实际轨迹约束的基础上，从一般最优控制题目的角度给出其航迹优化题目的完整数学描述；最后，基于直接配置法和高斯伪谱法两种直接法将原连续的航迹优化题目转化为离散的非线性规划题目，并利用序列二次规划算法进行求解，得到了不同性能指标下的最优上升航迹及其控制变量的变化规律。结果表明高斯伪谱法结合序列二次规划算法能够准确快速的获得航迹优化题目的数值解；另外各种工况下优化结果的对比分析表明对于平流层飞艇这种惯性大的飞行器采用最快上升飞行是更合适的上升控制策略。

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