考虑非圆禁飞区的空天飞行器TAEM段轨迹规划方法

doi:10.7527/S1000-6893.2026.32177

电子电气工程与控制

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考虑非圆禁飞区的空天飞行器TAEM段轨迹规划方法

孙清黎¹^,²(), 郭健¹^,², 王永圣¹^,²

^1.北京空天技术研究所，北京 100074
^2.空天飞行技术全国重点实验室，北京 100074

收稿日期:2025-04-28 修回日期:2025-05-13 接受日期:2026-01-19 出版日期:2026-02-10 发布日期:2026-02-09
通讯作者: 孙清黎 E-mail:sunqingli@alu.uestc.edu.cn
基金资助:
国家级项目

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

Received:2025-04-28 Revised:2025-05-13 Accepted:2026-01-19 Online:2026-02-10 Published:2026-02-09

摘要/Abstract

摘要：

针对非圆禁飞区影响下的空天飞行器能量管理（TAEM）段轨迹规划问题，提出了一种三维改进混合A*（TIH-A*）算法。根据算法的轨迹生成原理将飞行轨迹划分为搜索生成的混合A*段和几何拼接生成的Dubins段。针对混合A*段，引入势函数修正代价地图反映运动趋势和安全性约束，基于攻角和倾侧角指令拓展子节点反映动力学约束，设计描述终端预测海拔误差的代价函数反映终端约束，并提出一种自适应节点探索逻辑以提高算法的适应性。针对Dubins段，基于航向角误差设计了非线性横向制导律，提升了轨迹跟踪的效果，并提出了内环校正动压剖面、外环校正预测航迹倾角的纵向制导律。多种场景下的仿真结果表明，该方法能够实现非圆禁飞区下TAEM段的禁飞区规避和轨迹规划，轨迹设计精度较高，对任务参数和飞行场景的适应性较好。

关键词: 空天飞行器, 终端能量管理, 轨迹规划, 禁飞区, 混合A*算法

中图分类号:

V448.2

孙清黎, 郭健, 王永圣. 考虑非圆禁飞区的空天飞行器TAEM段轨迹规划方法[J]. 航空学报, 2026, 47(11): 332177.

图/表 30

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

表1

初始状态、终端状态及取值范围

状态量	初始状态	终端状态	取值范围
海拔 $h$ / $k m$	35	3
横向位置 $x$ / $k m$	160	106	［0， 200］
纵向位置 $y$ / $k m$	50	130	［0， 200］
速度 $v$ /（ $m ⋅ s - 1$ ）	600	180
航迹倾角 $θ$ /（°）	-1
航向角 $σ$ /（°）	160	90	［0， 360）
攻角 $α$ /（°）	10		［0， 50］
倾侧角 $ν$ /（°）	0	0	［-70， 70］
攻角变化率 $u α$ /（（°）· $s - 1$ ）			［-2， 2］
倾侧角变化率 $u ν$ /（（°）· $s - 1$ ）			［-5， 5］
最大法向过载 $n y, m a x$	2	2

表1

图 13

图 14

表2

标称仿真环境下的仿真结果及终端状态误差

状态量	TIH-A*算法	伪谱法
计算成本 $t$ /s	23.57	38.81
最大法向过载 $n y, m a x$	2.00	2.00
终端海拔误差 $Δ h$ / $m$	-4.41	-1.26
终端横向误差 $Δ x$ / $m$	-0.04	7.01
终端航向误差 $Δ y$ / $m$	-2.48	-7.85
终端速度误差 $Δ v$ /（ $m ⋅ s - 1$ ）	-0.05	-0.01
终端航向角误差 $Δ σ$ /（°）	-1.37×10^-3	-0.01
终端倾侧角误差 $Δ ν$ /（°）	-3.60×10^-5	0
与禁飞区最短直线距离 $Δ d s a f e$ / $k m$	7.21	9.33

表2

图 15

图 16

图 17

表3

不同初始预测航迹倾角下仿真结果及终端状态误差

状态量	最小值	最大值	平均值
计算成本 $t / s$	12.21	149.10	66.24
最大法向过载 $n y, m a x$	2.00	2.00	2.00
终端海拔误差绝对值 $Δ h / m$	1.15	5.38	3.78
终端横向误差绝对值 $Δ x / m$	3.13×10^-4	0.04	0.01
终端航向误差绝对值 $Δ y / m$	0.05	9.24	4.19
终端速度误差绝对值 $Δ v / m ⋅ s - 1$	0.01	0.06	0.04
终端航向角误差绝对值 $Δ σ / °$	1.61×10^-7	1.39×10^-3	3.81×10^-4
终端倾侧角误差绝对值 $Δ ν / °$	4.92×10^-7	2.07×10^-3	5.52×10^-4
与禁飞区最短直线距离 $Δ d s a f e / k m$	6.35	8.11	7.04

表3

表4

初始状态不确定性置信区间（99.7%置信度）

状态量	置信区间
海拔 $Δ h / k m$	［-5， 5］
横向位置 $Δ x / k m$	［-80， 80］
纵向位置 $Δ y / k m$	［-80， 80］
攻角 $Δ α / °$	［-5， 5］
速度 $Δ v / m ⋅ s - 1$	［-200， 200］
航迹倾角 $Δ θ / °$	［-19， 1］
航向角 $Δ σ / °$	［-100， 50］
倾侧角 $Δ ν / °$	［-30， 30］

表4

图 18

表5

任务参数不确定下仿真结果及终端状态误差

状态量	最小值	最大值	平均值
计算成本 $t$ /s	1.75	242.76	35.60
最大法向过载 $n y, m a x$	1.30	2.00	1.80
终端海拔误差绝对值 $Δ h / m$	0.10	6.70	3.24
终端横向误差绝对值 $Δ x / m$	9.67×10^-5	1.31	0.15
终端航向误差绝对值 $Δ y / m$	0.11	9.62	5.04
终端速度误差绝对值 $Δ v / m ⋅ s - 1$	1.10×10^-3	0.07	0.03
终端航向角误差绝对值 $Δ σ / °$	3.51×10^-8	0.04	5.15×10^-3
终端倾侧角误差绝对值 $Δ ν / °$	1.07×10^-7	0.06	7.61×10^-3
与禁飞区最短直线距离 $Δ d s a f e / k m$	1.07	10.43	6.48

表5

图 19

表6

不规则禁飞区环境下TAEM段初始状态

仿真条件	位姿坐标 $x, y, σ$ / $k m, k m, °$
1	（40，130，280）
2	（40，160，300）
3	（100，40，30）
4	（120，50，160）
5	（150，40，135）
6	（170，180，235）
7	（180，140，210）

表6

图 20

表7

不规则禁飞区下仿真结果及终端状态误差

状态量	最小值	最大值	平均值
计算成本 $t$ /s	6.34	526.34	116.41
最大法向过载 $n y, m a x$	2.00	2.00	2.00
终端海拔误差绝对值 $Δ h / m$	0.55	6.63	3.82
终端横向误差绝对值 $Δ x / m$	3.21×10^-3	0.36	0.18
终端航向误差绝对值 $Δ y / m$	1.48	8.13	5.05
终端速度误差绝对值 $Δ v / m ⋅ s - 1$	5.77×10^-3	0.07	0.04
终端航向角误差绝对值 $Δ σ / °$	2.83×10^-5	0.01	6.78×10^-3
终端倾侧角误差绝对值 $Δ ν / °$	6.12×10^-5	0.02	0.01
与禁飞区最短直线距离 $Δ d s a f e / k m$	0.34	4.11	1.71

表7

图 A1

图 A2

图 A3

参考文献 36

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