[發明專利]強約束復雜任務條件下的三維剖面優化設計方法、系統及介質

在審

• 申請號: 201910629514.6
• 申請日: 2019-07-12
• 公開（公告）號: CN110750850A
• 公開（公告）日: 2020-02-04
• 發明（設計）人: 張遠龍;謝愈;彭雙春;潘亮;范錦秀
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 43008 湖南兆弘專利事務所(普通合伙)
• 代理人: 譚武藝

本發明公開了一種強約束復雜任務條件下的三維剖面優化設計方法、系統及介質，本發明方法的實施步驟包括：綜合考慮多種約束條件，構建滿足給定高度剖面約束的側向升阻比走廊邊界；初始化側向剖面參數，并利用側向升阻比走廊邊界進行歸一化得到初始化側向剖面；根據給定高度剖面和初始化側向剖面解算參考彈道；建立考慮復雜多約束的非線性規劃模型，基于參考彈道進行求解得到強約束復雜任務條件下的三維剖面。本發明采用側向優先設計，綜合兼顧飛行器縱、側向任務需求，通過建立高度剖面約束與三維剖面的映射關系并構建融入航路點和禁飛區約束的綜合性能指標，將復雜三維剖面問題轉換為單剖面搜索問題進行求解，簡化了三維剖面設計，計算簡單和高效。

技術領域

本發明涉及飛行器動力學、彈道規劃與制導領域，具體涉及一種強約束復雜任務條件下的三維剖面優化設計方法、系統及介質，可廣泛應用于高超聲速飛行器、載人飛船等飛行器的強約束復雜任務彈道生成，為其彈道規劃和制導方法提供支撐。

背景技術

目前彈道優化設計方法主要包括兩大類，即直接法和間接法。直接法通常是指通過數值積分或其他搜索算法，直接找到滿足問題的最優解。在利用直接法進行彈道優化求解的計算中，以高斯偽譜法、Radau偽譜法等應用較為著名，比如Yu Zhengshi針對火星再入軌跡優化問題，將偽譜法應用到了考慮干擾和初始狀態偏差軌跡優化問題中；而Ma Lin則將高斯偽譜法應用到月球上升段常推力下的燃油軌跡優化設計；針對禁飛區和航路點等復雜約束條件下的彈道優化問題，Zhao Jiang基于分段高斯偽譜法優化的策略進行求解等。這類方法雖然都已在彈道優化問題中取得了較好的解，但由于偽譜法本身求解時需要對整個求解空間的所有狀態量和控制量同時進行優化計算，求解精度高但是計算效率低，有時甚至無法保證問題的解穩定收斂。間接法一般是通過建立必要的微分方程、目標函數以及約束條件，并基于一定的假設和簡化，解析推導得出滿足問題的最優表達式。對于滑翔飛行器彈道優化設計而言，由于問題本身較為復雜，在進行大量的假設和簡化后獲得的解析解通常適應性較差。因此，本發明主要基于直接法開展三維剖面的彈道優化設計。

高超聲速滑翔飛行器彈道優化設計問題本質上屬于非線性復雜多約束條件下的最優化問題。高度作為縱向運動狀態的典型代表，通過建立其與時間或能量的函數關系剖面后可基本確定速度、速度傾角等縱向運動量以及動壓和熱流等影響飛行器關鍵結構性能考核的約束指標。同時，航路點和禁飛區的典型路徑約束已成為當前滑翔飛行器飛行試驗和機動性能考核的基本任務需求。因此，研究給定高度剖面約束下航路點和禁飛區約束的彈道優化設計方法具有重要的理論意義和應用價值，尤其是脫離事先給定參考攻角剖面約束下實現控制能力按需分配的彈道優化設計方法對于充分發揮飛行器機動潛能更是具有極大地促進作用。目前，關于非線性最優設計問題尚未有統一的解決算法，一般做法是通過將連續問題離散化后轉換為非線性規劃問題進行求解。序列二次規劃方法是當前用于求解復雜約束非線性規劃問題的公認求解最有效的算法之一，具有類似牛頓迭代算法的超一次收斂速率和穩定性，這也是本發明將其選為三維剖面彈道優化設計的重要原因。

發明內容

本發明要解決的技術問題：給定高度剖面約束，并考慮航路點和禁飛區等復雜飛行任務需求，兼顧飛行過程中的動壓、過載以及駐點熱流等過程約束、控制量大小和變化速率約束以及初終端條件而開展的滑翔段可行彈道設計問題。為了充分發揮滑翔飛行器的機動潛能，要求脫離參考攻角剖面，即產生的三維彈道應能實現控制能力的按需分配。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種強約束復雜任務條件下的三維剖面優化設計方法，實施步驟包括：

1)綜合考慮多種約束條件，構建滿足給定高度剖面約束的側向升阻比走廊邊界；

2)初始化側向剖面參數，并利用側向升阻比走廊邊界進行歸一化得到初始化側向剖面；

3)根據給定高度剖面和初始化側向剖面解算參考彈道；