高超声速滑翔飞行器多禁飞区再入机动航迹优化

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28769

飞行力学与制导控制

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高超声速滑翔飞行器多禁飞区再入机动航迹优化

雷刚, 罗炜(), 李云舒, 赖灿辉

火箭军工程大学作战保障学院，西安　710025

收稿日期:2023-03-30 修回日期:2023-04-27 接受日期:2023-05-16 出版日期:2023-05-19 发布日期:2023-05-18
通讯作者: 罗炜 E-mail:2237087676@qq.com

Optimization of reentry maneuver trajectory for hypersonic glide vehicles in multiple no-fly zones

Gang LEI, Wei LUO(), Yunshu LI, Canhui LAI

Operational Support College，Rocket Force University of Engineering，Xi’an 　710025，China

Received:2023-03-30 Revised:2023-04-27 Accepted:2023-05-16 Online:2023-05-19 Published:2023-05-18
Contact: Wei LUO E-mail:2237087676@qq.com

摘要/Abstract

摘要：

针对高超声速滑翔飞行器航迹规划中面临的复杂环境约束问题，提出了一种结合几何-动力学的航路点跟踪方法并设计了一种禁飞区约束简化策略。首先，在通过飞行走廊确定飞行过程中航向角变化范围的基础上，以角度为指标设计代价函数，并基于此对飞行状态进行预测寻优，得到了倾侧角自适应搜索的横向机动模型；其次，将几何平面上的虚拟航路点生成策略拓展到地球曲面，并基于图论思想和动力学评估模型，获得了全局最佳虚拟航路点生成策略；最后，将2种方法结合得到解决多禁飞区约束的航迹规划方法。仿真结果表明，所提方法能够快速有效获得最佳虚拟航路点，并且降低航迹规划中的倾侧角优化难度；蒙特卡洛仿真实验表明，本方法具有较好的鲁棒性。

关键词: 高超声速滑翔飞行器, 航迹规划, 虚拟航路点, 约束转化, 图论思想

Abstract:

A waypoint tracking approach combined with geometric dynamics and a simplified strategy for no-fly zone constraints are proposed to address the complex environmental constraints in the trajectory planning of hypersonic glide vehicles. Firstly， based on the variation range of heading angle during flight determined through a flight corridor， a cost function is designed using angles as the index， and the flight state is predicted through optimization to obtain the lateral maneuver model of bank angle adaptive search. Secondly， the strategy of generating virtual waypoints on the geometric plane is extended to the Earth’s surface， and a generation strategy of global optimal virtual waypoint is derived based on graph theory and dynamic evaluation models. Finally， the two methods are combined to obtain a trajectory planning method that can handle multiple no-fly zone constraints. Simulation results show that the proposed method can quickly and effectively acquire the optimal virtual waypoint and reduce the difficulty in optimizing the bank angle during trajectory planning. Monte Carlo simulation experiments show that this method has good robustness.

Key words: hypersonic glide vehicles, trajectory planning, virtual waypoint, constraints conversion, graph theory

中图分类号:

雷刚, 罗炜, 李云舒, 赖灿辉. 高超声速滑翔飞行器多禁飞区再入机动航迹优化[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528769-528769.

Gang LEI, Wei LUO, Yunshu LI, Canhui LAI. Optimization of reentry maneuver trajectory for hypersonic glide vehicles in multiple no-fly zones[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(15): 528769-528769.

图/表 35

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

表 1

初始状态

$H 0 / k m$	$V 0 / (m · s - 1)$	$θ 0 / r a d$	$ψ 0 / r a d$
50.0	6 500.0	0.001	1.571

表 1

表 2

过程约束信息

$Q ˙ m a x / (k W · m - 2)$	$q m a x / k P a$	$n m a x$
3 500.0	200.0	3.0

表 2

表 3

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

表 4

表 5

图 21

图 22

图 23

图 24

图 25

图 26

图 27

图 28

图 29

图 30

参考文献 33

1	张远龙，谢愈. 滑翔飞行器弹道规划与制导方法综述［J］. 航空学报， 2020， 41（1）： 023377.
	ZHANG Y L， XIE Y. Review of trajectory planning and guidance methods for gliding vehicles［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（1）： 023377 （in Chinese）.
2	FARIDI A Q， SHARMA S， SHUKLA A， et al. Multi-robot multi-target dynamic path planning using artificial bee colony and evolutionary programming in unknown environment［J］. Intelligent Service Robotics， 2018， 11（2）： 171-186.
3	GUO T， JIANG N， LI B Y， et al. UAV navigation in high dynamic environments： A deep reinforcement learning approach［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2021， 34（2）： 479-489.
4	KONG X D， PAN B， CHERKASHIN E， et al. Multi-constraint UAV fast path planning based on improved A* algorithm［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2020， 1624（4）： 042009.
5	黄长强，国海峰，丁达理. 高超声速滑翔飞行器轨迹优化与制导综述［J］. 宇航学报， 2014， 35（4）： 369-379.
	HUANG C Q， GUO H F， DING D L. A survey of trajectory optimization and guidance for hypersonic gliding vehicle［J］. Journal of Astronautics， 2014， 35（4）： 369-379 （in Chinese）.
6	赵吉松，尚腾，张金明，等. 带有控制变量变化率约束的伪谱轨迹优化方法［J］. 宇航学报， 2022， 43（10）： 1368-1377.
	ZHAO J S， SHANG T， ZHANG J M， et al. Pseudo-spectral trajectory optimization method with constraint on the change rate of control variables［J］. Journal of Astronautics， 2022， 43（10）： 1368-1377 （in Chinese）.
7	宋超，黎志强，刘旭. 考虑航路点的飞行器再入轨迹优化与仿真［J］. 航空计算技术， 2019， 49（1）： 19-23.
	SONG C， LI Z Q， LIU X. Reentry trajectory optimization and simulation of aircraft with waypoints considered［J］. Aeronautical Computing Technique， 2019， 49（1）： 19-23 （in Chinese）.
8	梅映雪，冯玥，王容顺，等. 高超声速飞行器多约束再入轨迹快速优化［J］. 宇航学报， 2019， 40（7）： 758-767.
	MEI Y X， FENG Y， WANG R S， et al. Fast optimization of reentry trajectory for hypersonic vehicles with multiple constraints［J］. Journal of Astronautics， 2019， 40（7）： 758-767 （in Chinese）.
9	刘哲，贾生伟，张鸣，等. 再入轨迹多约束模型预测静态凸规划方法［J］. 宇航学报， 2022， 43（12）： 1638-1651.
	LIU Z， JIA S W， ZHANG M， et al. Reentry trajectory optimization based on constrained model predictive static convex programming［J］. Journal of Astronautics， 2022， 43（12）： 1638-1651 （in Chinese）.
10	高长生，陈尔康，荆武兴. 高超声速飞行器机动规避轨迹优化［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2017， 49（4）： 16-21.
	GAO C S， CHEN E K， JING W X. Maneuver evasion trajectory optimization for hypersonic vehicles［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2017， 49（4）： 16-21 （in Chinese）.
11	ZHAO J， ZHOU R. Reentry trajectory optimization for hypersonic vehicle satisfying complex constraints［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2013， 26（6）： 1544-1553.
12	王路，邢清华，毛艺帆. 复杂约束条件下再入高超声速滑翔飞行器轨迹快速优化［J］. 固体火箭技术， 2016， 39（6）： 839-846， 862.
	WANG L， XING Q H， MAO Y F. Trajectory rapid optimization for reentry hypersonic glide vehicle satisfying complex constraints［J］. Journal of Solid Rocket Technology， 2016， 39（6）： 839-846， 862 （in Chinese）.
13	谢愈，潘亮，谷学强，等. 高超声速飞行器多目标复杂约束滑翔弹道优化［J］. 国防科技大学学报， 2017， 39（2）： 9-17.
	XIE Y， PAN L， GU X Q， et al. Gliding trajectory optimization with multiple objectives and complicated constraints for hypersonic vehicles［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2017， 39（2）： 9-17 （in Chinese）.
14	WANG X， GUO J， TANG S J， et al. Entry trajectory planning with terminal full states constraints and multiple geographic constraints［J］. Aerospace Science and Technology， 2019， 84： 620-631.
15	李帅聪，何睿智，汤国建，等. 基于滑模控制的剖面跟踪制导律［J］. 航空学报， 2020， 41（S2）： 724578.
	LI S C， HE R Z， TANG G J， et al. Profile tracking guidance law based on sliding mode control［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（S2）： 724578 （in Chinese）.
16	XIE Y， LIU L H， TANG G J， et al. Highly constrained entry trajectory generation［J］. Acta Astronautica， 2013， 88： 44-60.
17	姜鹏，郭栋，韩亮，等. 多飞行器再入段时间协同弹道规划方法［J］. 航空学报， 2020， 41（S1）： 723776.
	JIANG P， GUO D， HAN L， et al. Trajectory optimization for cooperative reentry of multiple hypersonic glide vehicle［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（S1）： 723776 （in Chinese）.
18	ZHANG D， LIU L， WANG Y J. On-line reentry guidance algorithm with both path and no-fly zone constraints［J］. Acta Astronautica， 2015， 117： 243-253.
19	HE R Z， LIU L H， TANG G J， et al. Entry trajectory generation without reversal of bank angle［J］. Aerospace Science and Technology， 2017， 71： 627-635.
20	惠俊鹏，汪韧，俞启东. 基于强化学习的再入飞行器“新质”走廊在线生成技术［J］. 航空学报， 2022， 43（9）： 325960.
	HUI J P， WANG R， YU Q D. Generating new quality flight corridor for reentry aircraft based on reinforcement learning［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（9）： 325960 （in Chinese）.
21	XU H， CAI G B， ZHANG S X， et al. Hypersonic reentry trajectory optimization by using improved sparrow search algorithm and control parametrization method［J］. Advances in Space Research， 2022， 69（6）： 2512-2524.
22	JIANG Z Y， GE J Q， XU Q Q， et al. Fast trajectory optimization for gliding reentry vehicle based on improved sparrow search algorithm［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2021， 1986（1）： 012114.
23	SHAHZAD SANA K， HU W D. Hypersonic reentry trajectory planning by using hybrid fractional-order particle swarm optimization and gravitational search algorithm［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2021， 34（1）： 50-67.
24	LIANG Z X， REN Z. Tentacle-based guidance for entry flight with No-fly zone constraint［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2017， 41（4）： 996-1005.
25	高杨，蔡光斌，张胜修，等. 多禁飞区高超声速滑翔飞行器再入机动制导［J］. 兵器装备工程学报， 2019， 40（8）： 32-39.
	GAO Y， CAI G B， ZHANG S X， et al. Reentry maneuver guidance for hypersonic glide vehicles under multiple No-fly zones［J］. Journal of Ordnance Equipment Engineering， 2019， 40（8）： 32-39 （in Chinese）.
26	高杨，蔡光斌，徐慧，等. 虚拟多触角探测的高超声速滑翔飞行器再入机动制导［J］. 航空学报， 2020， 41（11）： 623703.
	GAO Y， CAI G B， XU H， et al. Reentry maneuver guidance of hypersonic glide vehicle under virtual multi-tentacle detection［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2020， 41（11）： 623703 （in Chinese）.
27	HE R Z， LIU L H， TANG G J， et al. Rapid generation of entry trajectory with multiple no-fly zone constraints［J］. Advances in Space Research， 2017， 60（7）： 1430-1442.
28	申连杰. 高超声速滑翔飞行器机动策略与制导方法研究［D］. 长沙：国防科学技术大学， 2015： 25-30.
	SHEN L J. Research on maneuver strategy and guidance algorithm for hypersonic glide vehicles［D］. Changsha： National University of Defense Technology， 2015： 25-30 （in Chinese）.
29	张源，张冉，李惠峰. 复杂禁飞区高超声速飞行器路径—轨迹双层规划［J］. 宇航学报， 2022， 43（5）： 615-627.
	ZHANG Y， ZHANG R， LI H F. Dual-level path-trajectory generation with complex No-fly zone constraints for hypersonic vehicle［J］. Journal of Astronautics， 2022， 43（5）： 615-627 （in Chinese）.
30	ZHANG Y， ZHANG R， LI H F. Graph-based path decision modeling for hypersonic vehicles with no-fly zone constraints［J］. Aerospace Science and Technology， 2021， 116： 106857.
31	VINH N X， BUSEMANN A， CULP R D. Hypersonic and planetary entry flight mechanics［M］. Ann Arbor： University of Michigan Press， 1980.
32	吕志平，乔书波. 大地测量学基础［M］. 2版. 北京：测绘出版社， 2016： 210-231.
	LÜ/LV/LU/LYU） Z P， QIAO S B. Fundamentals of geodesy［M］. 2nd ed. Beijing： Sino Maps Press， 2016： 210-231 （in Chinese）.
33	Phillips T H. A common aero vehicle （CAV） model， description， and employment guide［R］. Arlington： Schafer Corporation for AFRL and AFSPC， 2003.

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参数	威胁区
参数	1	2	3
坐标/（°）	（30，12）	（60，5）	（80，20）
半径/km	650	1 100	900

[1]	高显忠, 邓小龙, 王玉杰, 郭正, 侯中喜. 临近空间太阳能飞机能量最优飞行航迹规划方法展望[J]. 航空学报, 2023, 44(8): 27265-027265.
[2]	郭琪磊, 桑为民, 牛俊杰, 袁烨. 复杂气象条件下考虑结冰风险的无人机飞行策略[J]. 航空学报, 2023, 44(1): 627518-627518.
[3]	谢华, 黎子弘, 杨磊, 朱永文, 刘芳子. 容量受限下城市对航班四维航迹优化[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 325581-325581.
[4]	李宇辉, 赵敏, 陈奇, 姚敏, 何紫阳. 复杂环境下翼伞系统的组合式航迹规划[J]. 航空学报, 2021, 42(6): 324566-324566.
[5]	杨磊, 李文博, 刘芳子, 陈雨童, 赵征. 柔性空域结构下连续下降航迹多目标优化[J]. 航空学报, 2021, 42(2): 324157-324157.
[6]	李宪强, 马戎, 张伸, 侯砚泽, 裴毅飞. 蚁群算法的改进设计及在航迹规划中的应用[J]. 航空学报, 2020, 41(S2): 724381-724381.
[7]	姜鹏, 郭栋, 韩亮, 李清东, 任章. 多飞行器再入段时间协同弹道规划方法[J]. 航空学报, 2020, 41(S1): 723776-723776.
[8]	陈奇, 赵敏, 李宇辉, 何紫阳. 基于梯度下降法的翼伞系统最优分段航迹规划[J]. 航空学报, 2020, 41(12): 324226-324226.
[9]	高杨, 蔡光斌, 徐慧, 杨小冈, 张胜修. 虚拟多触角探测的高超声速滑翔飞行器再入机动制导[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 623703-623703.
[10]	陈尔康, 荆武兴, 高长生. 弹性高超声速滑翔飞行器的状态/参数联合估计[J]. 航空学报, 2019, 40(8): 322992-322992.
[11]	刘海涛, 顾新宇, 方晓钰, 李冬霞. 频率选择性衰落信道DS-CDMA无人机中继通信系统航迹规划[J]. 航空学报, 2019, 40(7): 322633-322633.
[12]	何磊, 闫晓东, 唐硕. 螺旋俯冲机动突防的制导律设计[J]. 航空学报, 2019, 40(5): 322457-322457.
[13]	王肖, 郭杰, 唐胜景, 祁帅. 基于解析剖面的时间协同再入制导[J]. 航空学报, 2019, 40(3): 322565-322565.
[14]	王子安, 龚正, 陈永亮, 史志伟, 徐锦法. 混合动力复合翼应急迫降在线航迹规划与制导[J]. 航空学报, 2019, 40(10): 323105-323105.
[15]	刘海涛, 赵文强, 李春鸣, 李冬霞. 空时分组编码的无人机中继通信航迹规划方法[J]. 航空学报, 2017, 38(9): 321048-321048.

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