[发明专利]一种基于两层优化策略的全轨迹优化设计方法

摘要

一种基于两层优化策略的全轨迹优化设计方法，包括步骤如下：(1)设置运载器对地面目标的总覆盖时间TCT为目标函数F(π)，设置优化参数π＝[a,i,t_m]；(2)通过遗传算法产生的一组优化参数π＝[a,i,t_m]，计算种群中每个个体的目标函数F(π)；(3)如果步骤(2)中获得的运载器对地面目标的总覆盖时间最大值的精度满足要求或者迭代次数超过最大迭代次数，则迭代终止，进入步骤(4)；否则利用遗传算法产生新一代种群，返回步骤(2)；(4)根据步骤(3)中迭代终止时的优化参数π＝[a,i,t_m]及各阶段对应的优化变量获得运载器的全程轨迹。本发明能有效的将飞行过程中各阶段结合，给出各个阶段的优化参数并提升了优化效率，具有鲁棒性。

主权项

1.一种基于两层优化策略的全轨迹优化设计方法，其特征在于，包括步骤如下：(1)设置运载器对地面目标的总覆盖时间TCT为目标函数F(π)，设置优化参数π＝[a,i,tm]、给定遗传算法种群数目和最大迭代次数；其中，a为目标轨道半长轴、i为目标轨道倾角、tm为运载器的机动时刻；(2)通过遗传算法产生一组优化参数π＝[a,i,t_m]，计算种群中每个个体的目标函数F(π)，获得每个个体所对应的运载器对地面目标的总覆盖时间TCT最大值及运载器对地面目标的总覆盖时间TCT最大值对应的优化参数π＝[a,i,t_m]、各阶段对应的优化变量；各阶段对应的优化变量包括：主动段的发射方位角ψ₀、运载器大气飞行段的程序转弯系数κ和最大攻角α_max、运载器真空飞行段的程序角导数在轨段终点时刻t_d；离轨段地心角再入段的运载器攻角α、倾侧角σ；具体步骤如下：(2.1)设置主动段的有效载荷m_p为内点法的目标函数、设置运载器主动段优化变量，计算运载器主动段的最大有效载荷m_pmax，获得运载器主动段的终止时刻状态量；主动段优化变量包括发射方位角ψ₀、运载器大气飞行段的程序转弯系数κ和最大攻角α_max、运载器真空飞行段的程序角导数其中，ii＝1、2；终止时刻状态量包括运载器海拔高度h，经度θ，纬度φ，速度V，航迹角γ，航向角ψ；(2.2)根据步骤(2.1)中获得的主动段的终止时刻状态量、遗传算法产生的运载器机动时刻t_m、设定在轨段终点时刻t_d初值，将步骤(2.1)中获得的终止时刻状态量所对应的轨道六要素作为积分初值，对考虑J₂项的轨道摄动方程进行积分，直至积分时间t＝t_d；获得运载器对地面目标的总覆盖时间以及t_d时刻对应的运载器轨道六要素；其中，为目标第j次离开运载器视场的时刻，为目标第j次进入运载器视场的时刻，n为对地目标覆盖的总次数，为正整数；(2.3)根据在轨段终点时刻t_d的轨道六要素，以离轨机动脉冲|ΔV|为目标函数，计算获得最小离轨机动脉冲|ΔV|_min对应的离轨段地心角(2.4)以运载器对地面目标的总覆盖时间TCT为目标函数，计算获得运载器对地目标的总覆盖时间最大时对应的在轨段终点时刻td，并计算对地目标覆盖时间最大值对应的运载器离轨段的终止时刻状态量，进入步骤(2.5)；(2.5)以总热载荷Q_s目标函数，设置运载器再入段优化变量，根据离轨段终点时刻运载器的终止时刻状态量，计算运载器的动力学方程，求解总热载荷获得最小总热载荷及与最小总热载荷对应的运载器再入段优化变量；其中，运载器再入段优化变量包括运载器攻角α、倾侧角σ；为热流密度；(3)如果步骤(2)中获得的此代种群中每个个体对应的运载器对地面目标的总覆盖时间最大值的精度满足要求或者迭代次数超过最大迭代次数，则迭代终止，进入步骤(4)；否则利用遗传算法产生新一代种群，返回步骤(2)；(4)根据步骤(3)中迭代终止时的优化参数π＝[a,i,tm]及各阶段对应的优化变量获得运载器的全程轨迹；所述步骤(2.1)中使用内点法计算运载器主动段的最大有效载荷mpmax，获得运载器的终止时刻状态量的具体步骤如下：(2.1.1)给定内点法的最大迭代次数以及精度要求；(2.1.2)给定一组运载器主动段优化变量的初始值，获得运载器初始状态量，运载器初始状态量包括初始运载器海拔高度h0、初始经度θ0、初始纬度φ0、初始速度V0＝0、初始飞行航迹角γ0、发射方位角ψ0、初始运载器总质量m0；对运载器的动力学方程进行积分，求出终止时刻状态量、有效载荷mp；当积分终止时刻状态量对应的轨道半长轴与遗传算法产生的a相等且γ＝0时，积分终止；如果运载器轴向载荷na、动压q、目标轨道倾角i满足约束条件，求出mp，进入步骤(2.1.3)；如果不满足，则改变运载器主动段优化变量的初始值，重复本步骤；所述约束条件为：na≤nmax，q≤qmax1，终止时刻状态量对应的目标轨道倾角i与遗传算法产生的i相等；其中，nmax为设定的运载器轴向载荷最大值、qmax1为设定的动压最大值；(2.1.3)对步骤(2.1.2)中求得的目标函数mp进行判断，如果目标函数mp满足精度要求或者迭代次数超过最大迭代次数，则迭代终止，获得mpmax、终止时刻状态量；否则，给出另一组主动段优化变量值，返回步骤(2.1.2)。