[发明专利]基于再入点参数的高超声速飞行器再入轨迹优化方法

摘要

本发明提供一种基于再入点参数的高超声速飞行器再入轨迹优化方法，解决了再入轨迹优化过程中优化时间过长、纵向轨迹和横向轨迹需要分开设计、无法保证全局最优或必须进行模型简化才能快速优化等一系列问题。本发明建立了考虑地球扁率、牵连加速度和科氏加速度项的精确动力学模型，分析了多种复杂约束条件，着眼于研究影响再入轨迹优化结果的主要因素——再入点参数不确定性，通过对再入点参数的不确定扩张问题进行分析，得到再入优化轨迹与再入点参数的映射关系，从而可以依据再入点参数快速优化一条再入轨迹。本方法计算效率高，具有很强的工程运用价值。本发明应用于飞行器轨迹优化领域。

主权项

1.一种基于再入点参数的高超声速飞行器再入轨迹优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：考虑地球扁率、牵连加速度和科氏加速度项的影响，建立高超声速飞行器再入飞行段的动力学模型为：其中，r为地心距、λ为经度、φ为纬度、V为速度、θ为飞行路径角、σ为航迹偏航角、α为攻角、μ为倾侧角，其中r、λ、φ、V、θ和σ为状态变量，α和μ为控制变量，D为气动阻力加速度、L为升力加速度，另gr为重力加速度沿地心矢方向的分量、gω为垂直地心矢方向的分量，gr和gω表示为：其中，μE为地球引力常数、J为考虑地球扁率的第二项带谐系数、ae为地球半长轴；气动阻力和升力表示为：其中m为质量、S_ref为飞行器参考面积、ρ为空气密度，表示为其中ρ₀＝1.225kg/m³、h₀＝7100m，h为高度；C_D和C_L分别为阻力和升力系数，精确模型中的地球自转项(C_V、C_θ、C_σ)、科氏加速度项和牵连加速度项表示为：其中ωE是地球自转角速度；步骤S200：对多种复杂约束进行分析，建立非线性优化模型；步骤S300：使用高斯伪谱法求解名义再入状态参数下的优化问题，得到名义优化轨迹和相应输出变量Y＝[r，λ，φ，V，θ，σ，μ，α，t_f，J_m]，对离散时间点进行归一化处理得到表示为的离散时间点，得到参考时间基准，其中Jm为优化目标函数；所述离散时间点表示为其中N_t表示离散时间点的总个数，t_f为飞行总时间；所述离散时间点经尺度变换至[0，1]区间后表示为步骤S400：依据配点法求解广义混沌多项式的原则建立满足概率分布的再入点参数不确定性δ＝[δ1，δ2，δ3，δ4，δ5，δ6]配点采样空间，计算相应的权重和正交多项式，第j个输出变量对应的多维正交多项式Ψi(δ)通过单变量多项式的张量积得到：其中代表l_i阶单变量多项式、N_Y表示输出变量的维数；步骤S500：以步骤S400中采样空间中的每一组配点为优化初值，使用高斯伪谱法进行求解，得到一系列优化轨迹对应的输出变量Y^(m)，而后插值求解与步骤S300中标准离散时间点对应的时刻的输出变量；步骤S600：按公式(11)计算广义混沌多项式的系数其中Q为配点总数、δm＝[δ1，m，δ2，m，δ3，m，δ4，m，δ5，m，δ6，m]表示第m组配点对应的再入点参数不确定性、τm为对应的权重、Y(δm)为使用第m组配点作为优化初值；步骤S700：依据步骤S600中计算得到的广义混沌多项式的系数，求解针对高超声速飞行器真实再入点参数的优化轨迹。