禁飞区影响下的空天飞机可达区域计算方法

针对禁飞区影响空天飞机再入可达区域问题,基于极限绕飞轨迹提出一种不限禁飞区位置的可达区域求解方法。首先,考虑空天飞机规避禁飞区后的剩余飞行能力评估,从极限绕飞轨迹与禁飞区的切点出发,提出绕过禁飞区后的子可达区域计算方法,在此基础上获得禁飞区影响下的可达区域和不可达区域的边界。然后,考虑禁飞区在经度/纬度剖面内可能出现的位置,分类讨论不同情形并给出对应子区域的求解算法,使用射线法判定目标点是否位于可达区域内,并应用分段预测校正制导方法实现面向可行目标点的导引。最后,在仿真中,给出了对经度/纬度剖面内散布的圆形禁飞区分类结果,并针对每一分类的禁飞区开展了可达区域求解计算分析。仿真结果表明,对不同种类的禁飞区情况,均能稳定实现可达区域求解,同时对于可达区域以内的目标点,通过应用分段预测校正方法可以满足再入制导精度要求。     

高超声速飞行器再入轨迹多目标优化

针对飞行器再入轨迹多目标优化问题,提出了一种基于粒子群算法与层次分析法的综合求解策略。首先,根据飞行器的动力学模型以及再入约束条件,建立了飞行器多目标优化模型;然后,考虑到粒子群算法只能求解无约束单目标问题,采用罚函数处理飞行过程中的约束条件和优化目标;最后,针对不同约束及目标的权重对再入轨迹的影响,利用层次分析法建立包含主观评估信息的优化模型,采用粒子群算法优化求解满足相应约束条件的再入轨迹问题。仿真结果表明,该方法所生成的优化轨迹具有较高的精度和计算效率,并对设计者的主观需求有良好的体现。     

考虑多种约束的探月飞船跳跃式再入走廊优化设计

探月飞船升阻比较低,再入时为达到长的飞行纵程,必须采用跳跃式再入方式。考虑多种约束条件,对跳跃式再入走廊进行了优化设计。首先,对路径约束进行分析,根据跳跃式再入轨迹的动力学特性对轨迹进行分段,推导了关键段中路径约束间的解析关系式,并在此基础上对优化问题进行了简化;其次,对滚转角速度约束进行分析,通过选择合理的离散点个数来保证角速度约束的满足;最后,为保证结果的高精度与全局最优性,采用两层优化策略进行求解,先利用高斯伪谱法得到控制变量初值,再将初值代入直接打靶法中计算得到最终结果。仿真结果表明:路径约束分析结果与优化结果保持一致,可在一定程度上简化优化问题;对滚转角速度约束的处理简单有效;两层优化策略能使问题快速收敛到满足约束的高精度解。     

探月飞船跳跃式再入轨迹可达域分析

针对探月飞船跳跃式再入轨迹分段多、段与段相互耦合、可达域求解与分析较直接再入更加困难的问题,给出了跳跃式再入轨迹可达域的数学描述,在此基础上将可达域求解问题拆分为两类最优控制问题,并建立了相应的优化模型。采用基于高斯伪谱法的两步优化策略进行求解,得到了跳跃式再入轨迹可达域边界。最后分析了初始条件(再入角、再入方位角)对可达域的影响。仿真结果表明两步优化策略能兼顾计算精度和计算效率。     

再入滑翔式飞行器轨迹快速优化

为了满足再入滑翔飞行器轨迹实时生成的要求,提出了一种轨迹快速优化方法.在模型处理方面,根据再入飞行器运动的特点,对再入轨迹方程进行了合理的简化处理和无量纲化处理,使其更适合数值优化算法求解;在算法方面,采用乘子法对再入终端约束进行处理,然后采用共轭梯度法求解最优的再入轨迹.仿真结果表明,这样处理只需10s左右的时间便能产生一条满足约束条件的再入优化轨迹,验证了模型     

基于直接配点法的滑翔轨迹快速优化设计

介绍了基于五次Gauss-Lobatto多项式的直接配点法在再入飞行器三维轨迹最优化问题中的应用。首先给出了再入飞行器轨迹优化问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为到达指定地点飞行时间最短,控制变量则为无量纲升力系数和倾侧角。再入飞行过程中受到加热率、过载和动压约束,终端状态受到目标位置约束。然后,应用直接配点法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各节点和配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解。仿真结果表明直接配点法对于再入飞行器轨迹初始参数取值不敏感,且求解过程具有一定的实时性。     

基于任务安全性的亚轨道飞行器返回轨迹优化

基于高斯伪谱法,结合亚轨道飞行器返回段特点,从任务安全性的角度出发进行了返回轨迹优化研究。出于实际控制能力及安全性的考虑,采用伪控制量作为最优控制变量,摒弃了再入分段、末端区域能量管理段、航向校正圆锥等概念,引入"末端进场走廊"来描述性能指标及终端约束。仿真结果表明,在满足各种约束条件下,能够快速准确地生成亚轨道飞行器返回轨迹,同时验证了结果的可行性与最优性。     

多航路点协同约束下的飞机性能参数优化

针对多航路点协同约束下飞行轨迹预测中飞机性能参数优化问题,依据飞机进场剖面构建了飞机进场轨迹,并提出了飞机进场航路点协同约束合理性的验证方法。创建了两种多目标适应度函数并进行对比、选择,在简化问题复杂性的同时保证了优化模型运行的稳定性,并基于多目标遗传算法建立了优化求解模型。仿真结果表明,该优化模型能对具有多个航路点协同约束下的节油飞机性能参数进行有效求解,使用非线性适应度函数较线性适应度函数综合稳定性提升了161. 67%,所提出的RTA约束窗口大小设置方法对空管实际运行有指导意义。     

基于路径约束分析的跳跃式再入轨迹优化

对于跳跃式再入轨迹优化问题,通常的求解方法是不经任何分析直接约束动压、过载和热流密度,再加上控制变量滚转角的约束,往往使问题变得复杂而难以求解。基于跳跃式再入轨迹的动力学特性,将轨迹进行分段,并逐段分析路径约束的特点和内在联系,建立起它们之间的解析关系式,由此得到跳跃式再入轨迹优化问题中路径约束的串行施加策略。运用该策略可以在某些情况下减少路径约束的个数,降低优化问题的复杂度;选择优化方法时,为了兼顾全局最优性与高精度结果,采用基于粒子群优化(PSO)算法和高斯伪谱法(GPM)的两层优化策略。仿真结果表明,采用两层优化策略可以得到满足约束的高精度解,路径约束串行施加策略正确可行,优化计算结果与理论分析结论一致。     

亚轨道飞行器再入通道概念及应用

基于亚轨道飞行器过载、热流、动压峰值集中出现,过载约束成为飞行器返回过程中主要面临的约束这一再入特性,提出再入通道概念,建立再入通道数学模型,以满足不同约束条件下的极限再入飞行仿真轨迹描述再入通道边界。分析和仿真结果表明,可以通过再入通道是否存在来判断再入任务是否可以实现,且再入通道边界参数可作为再入轨迹设计及制导的有效参考值。     

Reentry trajectory optimization for hypersonic vehicle satisfying complex constraints

The reentry trajectory optimization for hypersonic vehicle（HV）is a current problem of great interest.Some complex constraints,such as waypoints for reconnaissance and no-fly zones for threat avoidance,are inevitably involved in a global strike mission.Of the many direct methods,Gauss pseudospectral method（GPM）has been demonstrated as an effective tool to solve the trajectory optimization problem with typical constraints.However,a series of diffculties arises for complex constraints,such as the uncertainty of passage time for waypoints and the inaccuracy of approximate trajectory near no-fly zones.The research herein proposes a multi-phase technique based on the GPM to generate an optimal reentry trajectory for HV satisfying waypoint and nofly zone constraints.Three kinds of specifc breaks are introduced to divide the full trajectory into multiple phases.The continuity conditions are presented to ensure a smooth connection between each pair of phases.Numerical examples for reentry trajectory optimization in free-space flight and with complex constraints are used to demonstrate the proposed technique.Simulation results show the feasible application of multi-phase technique in reentry trajectory optimization with waypoint and no-fly zone constraints.     

基于Radau伪谱方法的轨迹优化

研究了导弹在末制导阶段满足多约束条件下的轨迹优化问题。针对传统方法在处理复杂的非线性运动学、动力学约束上存在的困难,提出了一种基于Radau伪谱方法(RPM)的求解策略。首先,给出了考虑导弹速度和空气密度变化、终端和过程约束条件以及2种不同的性能指标函数的最优轨迹优化问题;其次,利用RPM将轨迹优化问题转化为非线性规划问题,采用序列二次规划算法求得最优解;最后,分2种初始条件对最大落角和最大终端速度的轨迹优化问题进行了仿真验证,结果表明:本文方法能够在较短的时间内生成一条满足多种约束要求的高精度的最优轨迹。     

A novel adaptive lateral reentry guidance algorithm with complex distributed no-fly zones constraints

Aimed at complex distributed no-fly zones avoidance problems, a novel adaptive lateral reentry guidance algorithm is proposed. Firstly, by introducing the improved attractive and repulsive potential fields, an improved artificial potential field method is developed. Combined with the proposed judgment criterion for whether a no-fly zone has been avoided, the proposed improved artificial potential field method effectively solves the reference heading angle determination problem under the constrai...     

三维高超声速飞行器再入轨迹快速优化

高超声速再入轨迹优化问题是一类复杂的最优控制问题。采用高斯伪谱法(GPM)将再入轨迹优化问题转化为非线性规划问题(NLP),对NLP进行归一化处理后,采用SNOPT软件包求解。根据协态变量映射规则计算出协态变量,得出哈密尔顿函数沿最优控制的变化过程。算例中,GPM耗时约7 s即可生成一条严格满足各种约束的三维最优再入轨迹,耗时远少于相关文献,并且优化精度高,满足一阶最优性必要条件。     

特征趋势分区Gauss伪谱法解再入轨迹规划问题

针对强约束下的滑翔再入轨迹规划问题,采用基于特征趋势分区的Gauss伪谱法将连续最优问题转换为多个并行非线性规划问题并对其进行求解。针对传统拟谱方法在处理状态受限时,非平滑最优控制解难以收敛的问题,引入Sobolev空间证明了分区并行的收敛性和一致性。基于Letts准则提出了非连续特征趋势提取方法,通过分析离散点配置导数进行了可变分区的迭代设定,并结合导数变化趋势给出了各分区的动态配点数。利用不同阶次的多项式进行精度逼近,保证了在考虑多项强约束条件下弹道规划的可行解获取。结合状态分区的策略进行离线状态的分解,提高了计算效率。最终针对典型的再入应用进行了轨迹规划应用。仿真结果表明,所提出的方法可有效应对多种约束条件,能够根据飞行器的气动能力规划出可行的轨迹,过程条件满足约束,且可适应气动力20%的拉偏范围。     

High-fidelity trajectory optimization for aeroassisted vehicles using variable order pseudospectral method

In this study, the problem of time-optimal reconnaissance trajectory design for the aeroassisted vehicle is considered. Different from most works reported previously, we explore the feasibility of applying a high-order aeroassisted vehicle dynamic model to plan the optimal flight trajectory such that the gap between the simulated model and the real system can be narrowed. A highly-constrained optimal control model containing six-degree-of-freedom vehicle dynamics is established. To solve the formulated high-order trajectory planning model, a pipelined optimization strategy is illustrated. This approach is based on the variable order Radau pseudospectral method, indicating that the mesh grid used for discretizing the continuous system experiences several adaption iterations. Utilization of such a strategy can potentially smooth the flight trajectory and improve the algorithm convergence ability. Numerical simulations are reported to demonstrate some key features of the optimized flight trajectory. A number of comparative studies are also provided to verify the effectiveness of the applied method as well as the high-order trajectory planning model.     

考虑禁飞圆的滑翔式机动弹道与气动特性参数耦合设计

 为获得滑翔式再入飞行器最佳气动与弹道机动性能,针对规避禁飞圆的远程滑翔式再入问题提出了一种机动弹道与气动特性参数耦合设计方法。耦合设计外环以气动特性参数为设计变量,基于抛物阻力极线模型提取最大升阻比和对应升力系数为气动特性参数;耦合设计内环以泛化升力系数和侧倾角为设计变量,获得给定升阻特性下能规避禁飞圆且满足再入走廊要求的滑翔式再入轨迹。耦合设计问题以再入驻点总热流最小为优化目标,以再入走廊、终端位置和速度为约束,求解满足弹道机动要求且目标函数最小的最佳气动特性参数。提出了一种规避禁飞圆的侧向几何制导逻辑用于内环轨迹设计。仿真算例得出禁飞圆半径越大,需要的滑翔式再入飞行器最大升阻比越大,且再入轨迹刚好能绕过禁飞圆。仿真结果验证了耦合设计方法和侧向制导逻辑的有效性,该方法可为飞行器方案设计时的气动布局选型等工作提供参考。     

基于样条曲线的机动弹头再入轨迹优化研究

使用三次样条函数拟合再入飞行器纵向运动轨迹,以样条曲线上的控制节点为优化参数,将再入轨迹优化问题转化为静态参数优化问题.最后以纵向平面内的最优轨迹为例,以终点速度最大和飞行时间最短为优化目标,采用基于Pareto定级排序遗传算法求解了在末端状态受约束的最优再入轨迹问题,验证了该方法的有效性.     

多滑翔飞行器时间协同轨迹快速规划

从高超声速飞行器集群"探测-打击-评估"一体化任务需求出发,针对多滑翔飞行器时间协同再入轨迹规划问题进行研究,提出集群再入的协同形式及轨迹规划方案,基于改进序列凸化算法解决了再入总飞行时间的精确控制问题,从而实现滑翔段时间协同。首先,给出了滑翔飞行器集群的协同策略,将求解模型转化为协同时间的确定、协同时间约束下的轨迹规划子问题。将模型中的时间项误差等加入罚函数,提高了协同轨迹求解可行性。引入飞行路径角预设剖面作为软约束,并通过罚函数与信赖域自适应调整,以避免轨迹求解时的振荡问题,提高了序列凸化算法的收敛性。以CAV-H飞行器模型为例验证了算法的有效性,仿真结果表明,所提算法对初值的敏感性低,求解得到的再入总时间可调范围与伪谱法一致,轨迹规划结果的平滑性及计算时间均优于伪谱法。     

基于协同进化粒子群和Pareto最优解的卫星编队队形重构方法

针对卫星编队自主队形重构问题,提出了基于协同进化粒子群优化(CPSO)和Pareto最优解的求解方法.首先,使用Legendre伪谱法(LPM)将队形重构问题离散化为非线性规划(NLP)问题;其次,根据卫星编队的特点及碰撞规避的需要,使用CPSO算法对重构问题采用既独立又集中的求解方式,避免了传统优化方法对梯度的求解;...