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HP-RPM的高超声速滑翔飞行器轨迹优化

针对含有航路点、禁飞区约束的再入突防轨迹优化问题,提出了基于HP自适应Radau伪谱法(HP-RPM)的分段轨迹优化策略,给出了在含有热流密度、过载、动压、航路点和禁飞区等约束条件下的再入轨迹优化模型;利用HP-RPM对含有再入的最优控制问题进行离散化,将其转为非线性规划问题,并根据航路点所在的位置,对再入轨迹进行分段,以再入滑翔飞行的时间最短为仿真目标函数进行仿真计算。仿真结果表明,此方法可以生成一条满足多种约束条件的高精度优化轨迹,并且用时较短。     

助推-滑翔飞行器规避能力研究

利用Radau伪谱法,将助推-滑翔飞行器弹道优化问题转化为非线性规划问题.在考虑禁飞区约束的情况下,优化了飞行器的规避弹道,发现飞行器的覆盖范围中存在盲区,并分析了盲区形成的原因及特征.研究结果表明,随着禁飞区半径的逐渐增大,盲区逐渐扩大；并且当禁飞区位置逐渐远离发射点时,盲区也随之增大.研究结果对飞行器突防弹道的设计以及地面防御力量的部署都具有一定的参考价值.     

基于非线性规划的高超声速滑翔轨迹优化

研究了最大航程的无动力滑翔轨迹优化问题。为避免间接法的缺点,采用直接单重打靶法将轨迹优化问题转换为非线性规划问题,并利用非梯度优化算法和梯度优化算法相结合的混合优化策略得到最优轨迹。仿真结果表明,在采用更为真实的大气模型和动力学模型条件下,该方法具有较高的求解精度、收敛性以及鲁棒性,降低了初值要求;相对于最大升阻比轨迹,射程提高1.54%。     

基于配点法的轨道在线优化方法研究

针对传统轨道优化方法无法应用于轨道在线优化的问题,提出了三阶辛普森配点法结合乘子法求解轨道在线优化问题的方法.首先建立变轨的最优化模型;然后,用三阶辛普森配点法将该最优控制问题转化为受约束的非线性规划问题;最后,采用增广拉格朗日乘子法对转化得来的受约束的非线性规划问题进行求解.仿真结果表明,所提出的方法可以得到高精度的轨道优化结果,并且对状态量和控制量的初值选取不敏感,且仿真具有实时性,计算速度快,可以达到在线进行轨道优化的要求.     

自动微分技术及其在轨迹优化中的应用

研究了自动微分技术在直接配点法中的应用,将其与内点非线性规划算法相结合,用于求解配点法转化得到的非线性规划问题。采用前向自动微分模式,利用ADOL-C实现了基于算子重载的自动微分计算;为验证算法的性能,以经典的航天飞机再入轨迹优化问题为例,针对三种直接配点格式,比较了自动微分法和有限差分法用于微分计算的性能。研究结果表明,自动微分可以提高微分信息计算的精度和效率,进而提高非线性规划算法的稳定性和收敛速度。     

助推 -滑翔导弹跳跃弹道优化技术

满足约束条件下的弹道优化技术能有效提高助推 -滑翔导弹的生存能力和毁伤能力。在充分消化吸收现有弹道优化方法的基础上,提出了一种直接打靶法与序列二次规划相结合的弹道优化思路,具体设计了按时间进行离散化、按距离进行离散化和函数逼近 3种方案,并通过全弹道仿真对所设计方案进行了对比研究,验证了设计方法的有效性。     

标准轨迹制导中准平衡滑翔条件优化研究

对于可重复使用运载器标准轨迹再入制导,准平衡滑翔条件可以将高度-速度平面内各项再入约束形成的飞行走廊,转换为倾侧角-速度空间内的倾侧角走廊.通过在倾侧角走廊内设计倾侧角曲线,可以生成满足飞行走廊的标准轨迹.通过论证标准轨迹再入制导过程中的准平衡滑翔条件及其物理意义,说明了由倾侧角走廊内的倾侧角曲线生成的标准轨迹,存在突破再入飞行走廊边界的可能性.通过对倾侧角走廊边界设置余度,极大地降低了标准轨迹突破再入飞行走廊边界的可能性,提高了标准轨迹的设计成功率.     

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     

空地导弹弹道增程方案设计

针对空地导弹直线对准弹道方案,采用优化初始航迹角的方法得到满足终端速度约束的弹道;最大射程飞行方案采用控制迎角的方法使航程最大,采用多项式样条插值的方法来估计迎角变化规律,用遗传算法优化采样点的参数,得到了满足终端速度约束的最大射程。通过算例对比可知,最大射程飞行方案的射程比直线对准飞行方案提高了三倍多。研究结果对空地导弹的标准弹道设计有一定的参考价值。     

基于改进鸽群算法的高超声速飞行器轨迹优化

采用基于罚函数思想的约束处理技术改进鸽群智能算法,应用于复杂的带约束的飞行器轨迹优化问题。以高超声速飞行器爬升段轨迹优化为例,建立其包含微分方程约束、路径约束和终端约束的优化数学模型,通过罚函数构造算法的适应值函数并对优化变量添加边界强约束,将改进的鸽群智能(PIO)算法和粒子群(PSO)算法对高超声速飞行器爬升段优化数学模型进行对比仿真分析。仿真结果表明,改进的鸽群智能算法在解决此类复杂带约束优化问题中展现出了更好的优化效率,具有良好的工程应用价值。     

Direct trajectory optimization based on a mapped Chebyshev pseudospectral method

 In view of generating optimal trajectories of Bolza problems, standard Chebyshev pseudospectral (PS) method makes the points' accumulation near the extremities and rarefaction of nodes close to the center of interval, which causes an ill-condition of differentiation matrix and an oscillation of the optimal solution. For improvement upon the difficulties, a mapped Chebyshev pseudospectral method is proposed. A conformal map is applied to Chebyshev points to move the points closer to equidistant nodes. Condition number and spectral radius of differentiation matrices from both methods are presented to show the improvement. Furthermore, the modification keeps the Chebyshev pseudospectral method's advantage, the spectral convergence rate. Based on three numerical examples, a comparison of the execution time, convergence and accuracy is presented among the standard Chebyshev pseudospectral method, other collocation methods and the proposed one. In one example, the error of results from mapped Chebyshev pseudospectral method is reduced to 5% of that from standard Chebyshev pseudospectral method.     

基于二代小波的轨迹优化节点自适应加密

针对采用直接法求解轨迹优化问题中精度和效率之间的矛盾,提出了基于二代小波轨迹优化节点自适应加密.采用RK(Runge-Kutta)离散方法将原轨迹优化问题转化为非线性规划问题,并采用成熟的非线性规划算法求解.对控制或状态函数进行小波变换得到小波系数,基于小波系数和二分节点的对应关系,根据小波系数的幅值确定下一个迭代步所使用的节点并进行序列优化.算例结果表明:通过设置合适的小波系数阀值,采用较少的时间离散节点即可使优化结果达到预定的精度.与高斯伪谱法软件相比,节点个数大约减少10%,最优指标的精度大约提高1个数量级.      

应用轨迹优化策略的直升机任务科目基元仿真

任务科目基元的飞行试验是ADS-33E-PRF对直升机飞行品质的判定标准。针对直升机设计过程中飞行品质难以事先评定的特点,提出了一种基于轨迹优化策略的直升机任务科目基元数值仿真方法。该方法将飞行品质规范对直升机位置、姿态和速度的限制处理为状态量的边界约束,以完成任务科目基元的时间为目标函数,结合直升机自身的性能和安全性约束,建立了针对任务科目基元的直升机轨迹优化模型。求解该模型得到直升机完成相应任务科目基元所用的时间,便可定性判断直升机飞行品质是否满足ADS-33E-PRF对这一任务科目基元的要求,从而在设计之初对优化直升机总体设计参数提供参考。对某型直升机悬停转弯机动科目进行仿真计算,验证了该方法的正确性和有效性。     

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。     

基于能量管理的横向机动弹道优化设计

为实现小射程能量的有效利用,增强导弹的突防能力和禁飞区规避能力,提出了一种基于能量管理的横向机动弹道设计与优化方法.该方法通过初始离面角使弹道一级偏离传统射面,后面级再修正射面以命中目标.在建立能量管理方程、初始离面角及横向转弯角的解析计算模型的基础上,迭代解析计算机动角的初值;采用遗传算法对机动角及弹道程序进行优化,得到了最优解.仿真结果表明,该方法在满足导弹能量管理的条件下实现了导弹的横向机动,可有效提高弹道导弹的突防能力,优化算法简单可行,收敛效果好.     

Real-time trajectory optimization for powered planetary landings based on analytical shooting equations

Traditionally, numerical trajectory integration for shooting equation calculation and iterations for shooting with randomly guessed initial solutions deteriorate the real-time performance of indirect methods for on-board applications. In this study, the indirect method is improved to achieve real-time trajectory optimization of fuel-optimal powered planetary landings with the help of analytical shooting equation derivations and a practical homotopy technique. Specifically, the contributions of t...     

基于凸优化的再入轨迹三维剖面规划方法

可重复使用飞行器一般采用大升阻比气动外形,再入轨迹三维剖面规划方法可充分发挥这类飞行器固有的机动能力。计算量大是制约三维剖面规划应用的难题,为提高计算效率,提出了一种基于凸优化的再入轨迹三维剖面规划方法。首先,分析运动方程特性,利用定义新的控制变量、约束松弛、连续线性化等技术,将原始非凸的三维剖面规划问题转化为一个凸优化问题。其次,将指令反解步骤嵌入至序列凸化算法中,通过迭代求解凸优化子问题,获得原问题的可行解。数值仿真结果表明所提方法具有较高的求解精度和确定的收敛性质,飞行器的机动能力得到充分发挥;与伪谱法的结果对比表明凸优化方法在轨迹规划问题上具有更高的求解效率。     

一种基于偏好MOEA的卫星地面站资源多目标优化算法

随着中国航天事业的发展,卫星地面站资源匮乏问题日益突出,需要对其进行统筹优化使用。因此,卫星地面站资源规划问题得到了广泛关注。在分析问题特点的基础上,对用户规划结果的偏好信息进行建模表达,建立了涵盖用户偏好的多目标数学规划模型,提出了基于偏好多目标进化算法的卫星地面站资源规划算法。为了进一步提升算法性能,设计了基于领域知识的启发式策略,包括：任务扩充策略、冲突消解策略以及任务缩减策略等。实验结果表明,与现有算法相比,用户偏好信息的引入能有效提升问题求解针对性,在IGD-CF （Inverted Generational Distance based on Composite Front）指标上取得了更好的效果。