考慮終端時間和航跡偏角約束的飛行器軌跡規劃方法

本發明涉及一種考慮終端時間和航跡偏角約束的飛行器軌跡規劃方法和相關產品。

背景技術：

1、基于最優控制理論的軌跡規劃方法由于其規劃的軌跡可以滿足某方面的最優性從而越來越受到重視。該方法將軌跡的生成問題描述為最優控制問題，并采用基于龐特里亞金極小值原理或變分法的間接法和直接法求解該問題。其中直接法又稱為直接配點法，原理上是通過各種參數離散化方法將連續的最優控制問題轉化為離散的非線性優化問題，再使用序列二次規劃或內點法等技術求解滿足性能指標的最優軌跡。目前，偽譜法是在求解連續最優控制問題中應用最為廣泛的參數離散化方法，并逐漸應用于高速飛行器的軌跡規劃領域，比如考慮禁飛區約束和航路點約束的分段軌跡規劃應對突發事件；在最大縱程、最大橫程和最小航跡角變化等經典目標函數上驗證算法可行性等研究。

2、但是現有面向高速飛行器的軌跡規劃方法存在一些問題，從方法本身的角度來說存在對于解的初值猜測敏感，且由于問題的高度非線性導致求解時間不穩定甚至可能求解失敗等問題。從任務層面來說，目前對于同時考慮終端時間協同和角度協同約束的研究較少。

3、中國發明專利cn113805599b提出了基于參數化控制剖面的多約束軌跡快速規劃方法：通過設計參數化攻角控制剖面，將攻角與時間作為待調參數，用于調節飛行器終端速度；對控制剖面進行光滑處理，得到滿足控制量約束的攻角曲線；優化設計攻角參數，將軌跡規劃問題轉化為時間參數規劃問題，并通過在線規劃時間參數得到多約束飛行軌跡。

技術實現思路

1、本發明提供一種考慮終端時間和航跡偏角約束的飛行器軌跡規劃方法和相關產品。

2、本發明的技術方案如下：?一種考慮終端時間和航跡偏角約束的飛行器軌跡規劃方法，包括：

3、步驟101、根據期望初始狀態和期望終端狀態生成飛行狀態時間序列和傾側角指令時間序列；

4、步驟102、根據當前的飛行狀態時間序列、當前的傾側角指令時間序列、終端時間約束和終端航跡偏角約束，迭代更新飛行狀態時間序列和控制輸入時間序列，如果相鄰兩次飛行狀態時間序列的接近程度滿足設定要求，則迭代終止，輸出最新的飛行狀態時間序列和最新的控制輸入時間序列，否則進行下一輪更新操作；

5、其中，迭代操作為計算以下優化問題：

6、；

7、；

8、其中，為狀態變量，為地心距離，和依次為地心經度和地心緯度，為飛行器的速率，為飛行器航跡傾角，為飛行器航跡偏角，為飛行器的傾側角，為時間，為目標函數，為參考狀態，為終端損失，為在終端時間的參考狀態，為在初始時刻的狀態變量，為在終端時刻的狀態變量，是過程損失函數，獨立變量，，為初始時間；

9、其中，,是該函數在參考狀態的取值，和為飛行器受到的升力和阻力，，，即傾側角指令對時間的導數，其作為控制變量，，是該函數在參考狀態的取值，為地球自轉角速度，

10、其中，為期望初始狀態，為期望終端狀態，表示狀態變量的取值范圍約束，為傾側角變化率的幅值上限，為使得迭代過程滿足小擾動線性化原則的小量；

11、其中，n取值為1、2和3依次表示為熱流密度、動壓和過載，是對應量的上限值，和依次為參考狀態中地心距離和速率。

12、可選地，熱流密度，為飛行器表面的熱傳遞系數，為大氣密度。

13、可選地，動壓，為大氣密度。

14、可選地，過載，是升力均值的平方，是阻力均值的平方，是標稱重力加速度。

15、可選地，，其中，為阻力關于地心距離的偏導數，為阻力關于速率的偏導數，為升力關于地心距離的偏導數，為升力關于速率的偏導數。

16、可選地，步驟101包括：從期望初始狀態開始，在每一個制導周期內沿用前一制導周期的傾側角方向，執行縱向制導律以搜索傾側角幅值，執行橫側向制導律以確定傾側角的正負號，根據縱向制導律確定的傾側角幅值和橫側向制導律確定的傾側角正負號生成傾側角指令，根據傾側角指令以及飛行器在前一制導周期結束時的狀態進行數值積分得到當前制導周期結束時飛行器的狀態；

17、判斷當前制導周期結束時飛行器的狀態與期望終端狀態的接近程度是否滿足設定要求，如果滿足則輸出飛行狀態時間序列和傾側角指令時間序列并結束步驟101，否則繼續進行下一制導周期；

18、其中，步驟101中狀態變量。

19、本發明的技術方案如下：一種電子設備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲程序，所述處理器運行所述程序以執行上述的考慮終端時間和航跡偏角約束的飛行器軌跡規劃方法。

20、本發明的技術方案如下：一種飛行器，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲程序，所述處理器運行所述程序以執行上述的考慮終端時間和航跡偏角約束的飛行器軌跡規劃方法。

21、本發明的技術方案如下：一種程序產品，所述程序產品在運行時執行根據上述的考慮終端時間和航跡偏角約束的飛行器軌跡規劃方法。

22、通過狀態變量重構、非線性軌跡規劃問題凸化處理（包括目標函數的凸化、動力學方程的凸化和過程約束的凸化），使得軌跡規劃過程消耗時間穩定，求解成功率提高。并且本發明的方法可以同時滿足終端飛行時間約束和終端航跡偏角約束。本發明的方法既可以用于獨立的飛行器的軌跡規劃，也可以用于多飛行器系統的軌跡規劃。進一步地，一些實施方式還能提供更加合理的初始軌跡猜測，從而進一步降低軌跡規劃的運算量并提高結果的可靠性。

技術特征：

1.一種考慮終端時間和航跡偏角約束的飛行器軌跡規劃方法，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，熱流密度，為飛行器表面的熱傳遞系數，為大氣密度。

3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，動壓，為大氣密度。

4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，過載，是升力均值的平方，是阻力均值的平方，是標稱重力加速度。

5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，

6.其中，為阻力關于地心距離的偏導數，為阻力關于速率的偏導數，為升力關于地心距離的偏導數，為升力關于速率的偏導數。

7.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟101包括：

8.一種電子設備，其特征在于，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲程序，所述處理器運行所述程序以執行根據權利要求1至6中任一項所述的考慮終端時間和航跡偏角約束的飛行器軌跡規劃方法。

9.一種飛行器，其特征在于，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲程序，所述處理器運行所述程序以執行根據權利要求1至6中任一項所述的考慮終端時間和航跡偏角約束的飛行器軌跡規劃方法。

10.一種程序產品，其特征在于，所述程序產品在運行時執行根據利要求1至6中任一項所述的考慮終端時間和航跡偏角約束的飛行器軌跡規劃方法。

技術總結
本發明公開了一種考慮終端時間和航跡偏角約束的飛行器軌跡規劃方法。進一步還提供相關產品。方法中，根據當前的飛行狀態時間序列、當前的傾側角指令時間序列、終端時間約束和終端航跡偏角約束，迭代更新飛行狀態時間序列和控制輸入時間序列，如果相鄰兩次飛行狀態時間序列的接近程度滿足設定要求，則迭代終止，輸出最新的飛行狀態時間序列和最新的控制輸入時間序列，否則進行下一輪更新操作；其中，迭代操作為計算以下優化問題：；。

技術研發人員：呂金虎,高源,劉克新,康國梁
受保護的技術使用者：北京航空航天大學
技術研發日：
技術公布日：2025/3/13