● 摘要
空天飞行器(ASV)是一种集运载器、航天器和航空器于一体的可重复使用飞行器，既可穿过大气层进入轨道运行，也可再入大气层返回地面，具有极其重要的军事价值和民用价值。为满足未来复杂任务提出的更高要求，空天飞行器必须具有足够高的制导精度和姿态控制精度。然而，空天飞行器飞行包线大，飞行环境复杂且变化剧烈，其数学模型呈现高度的非线性、时变性和不确定性，同时存在诸多的外部干扰和内部干扰，均可对其制导与控制性能产生严重影响。为此，本文针对空天飞行器存在的模型不确定性、强非线性、强耦合性以及气动参数和内外干扰的不确定性等问题，开展了鲁棒抗干扰制导与姿态控制技术研究。研究成果可用于空天飞行器的高精度制导与控制，具有重要的理论意义和工程应用价值。本文取得的主要研究成果如下：
(1)针对在轨运行和再入飞行两种模式，考虑反作用控制系统(RCS)、气动舵面、控制力矩陀螺等执行机构，建立了基于复合执行机构的空天飞行器全维动力学模型，分析了空天飞行器在轨运行时姿态运动、挠性振动、环境干扰等之间的相互作用及影响，以及再入飞行时质心运动、气动参数变化、大气环境变化之间的相互作用及影响，为制导与控制的研究提供了指导。
(2)针对空天飞行器复合执行机构，设计了由控制力矩分配和力矩指令分解组成的两步控制分配策略。在控制力矩分配中，针对在轨运行模式与再入飞行模式，分别设计了最优分配原则和分配算法，可以完成期望控制力矩到每一类执行机构的有效分配。在力矩指令分解中，针对气动舵面和RCS推力器系统，设计了基于遗传算法的指令分解算法，将气动舵面和RCS的力矩指令分别分解为舵偏角及喷气脉宽指令；针对单框架控制力矩陀螺，设计了修正伪逆操纵律，将力矩指令分解为框架角速度指令，且具有较好的奇异回避和逃逸性能。
(3)针对空天飞行器轨道姿态动力学模型中存在的非线性、强耦合性以及各种内部与外部干扰，设计了鲁棒自适应反演控制器，可以对转动惯量不确定性和多源干扰进行有界估计，并进行自适应补偿。在此基础上，将模型不确定性、未建模动态、物理参数不确定性和内外干扰集成为等价干扰，引入非线性干扰观测器，提出了一种基于干扰观测器的鲁棒自适应控制算法。该算法采用干扰观测器对多源干扰进行有效估计，并采用前馈加以补偿，采用自适应反馈控制器对剩余干扰加以反馈抑制，可以实现对期望姿态的渐近稳定跟踪，有效提升在轨运行时飞行器姿态的鲁棒抗干扰性能。
(4)针对空天飞行器再入飞行时气动参数和大气密度变化剧烈、外界干扰和内部物理参数存在的诸多不确定性等问题，提出了一种鲁棒自适应反演控制算法，内环与外环均可对干扰和不确定性的上界进行估计，并采用变结构项加以抑制，可有效改善系统的抗干扰性能。在此基础上，设计了一种基于干扰观测器的鲁棒自适应反演控制算法，采用干扰观测器对外环的干扰进行估计，并进行前馈补偿，可有效提高姿态控制精度。为避免反演设计方法引入的模型误差问题，提出了一种基于干扰观测器的积分滑模控制方法，在不牺牲控制精度和动态特性的前提下，可有效抑制系统干扰和不确定性的影响。
(5)考虑飞行器转动动力学与平动动力学耦合特性，提出了一种六自由度飞行器轨迹优化方法，基于Gauss伪谱(GPM)法，将六自由度轨迹优化问题转换为非线性二次规划问题，并设计了分步轨迹优化策略，可有效解决由于状态变量较多、耦合严重、初值敏感等现象导致的收敛速度下降问题。在此基础上，针对飞行器再入飞行中存在的大气密度、气动参数不确定性及环境干扰等因素，提出了一种基于干扰观测器的阻力剖面跟踪鲁棒抗干扰制导律，可在对系统中存在的慢变及周期性干扰进行估计的基础上，采用非线性复合控制器进行前馈补偿与反馈抑制，可有效提高系统的鲁棒抗干扰性能。
(6)为验证本文所设计的各功能子系统的有效性和协调性，对飞行器制导与控制系统进行了综合仿真分析。仿真结果表明，对于采用传统的RCS和气动舵面作为执行机构的空天飞行器，在考虑未建模动态、大气密度不确定、气动参数不确定及环境干扰等因素的影响下，可以实现对参考轨迹的良好跟踪，具有较好的鲁棒抗干扰性能。在此基础之上，引入SGCMG，组合复合执行机构，在同等条件下进行了综合仿真分析。由于在初始时刻SGCMG可以输出较高精度的控制力矩，系统表现出较快的收敛速度，整个再入过程中制导与控制系统也具有较好的鲁棒抗干扰性能。