基于安全裕度与可行性协同引导机制的高超声速飞行器再入轨迹优化方法及系统

本发明属于高超声速飞行器轨迹规划与智能优化控制，涉及再入轨迹多目标优化、禁飞区路径约束处理和进化优化算法，尤其涉及一种基于安全裕度与可行性协同引导机制的高超声速飞行器再入轨迹优化方法及系统。

背景技术：

1、高超声速飞行器再入轨迹优化是任务规划与制导控制的核心问题。飞行器再入时需在高速、大气参数剧变及气动力强耦合条件下完成机动，同时满足热流率、动压、过载、终端精度、控制边界及禁飞区规避等多类强耦合约束。随着禁飞区数量增加或安全缓冲距离扩大，可行域趋于狭窄破碎，轨迹搜索面临可行解稀缺、边界贴近及局部聚集等困难，求解难度显著提升。

2、现有方法中，直接法、间接法与序列凸优化在模型连续、初值良好时精度较高，但在多禁飞区强约束下易受初值与可行域非凸性影响，收敛困难。进化算法凭借群体搜索与随机扰动能力更具适应性，其中基于分解的多目标进化方法因效率与扩展性平衡而被广泛采用，但其设计侧重目标收敛与分布维护，对物理约束优先级考量不足。

3、具体缺陷体现在：其一，固定罚函数或简单加权违反度忽略了各约束的量纲差异与工程意义，易掩盖关键约束违反，导致目标较优但禁飞区安全裕度不足的个体被保留。其二，禁飞区安全距离多仅作后验校核，未将种群安全状态实时反馈至搜索过程；可行性调节多依赖单一违反度或迭代代数，缺乏硬约束收敛与空间安全风险的协同反馈。单一反馈量难以兼顾两类状态：仅依据硬约束违反度无法识别个体是否贴近禁飞区缓冲边界；仅依据禁飞区安全状态则忽视终端精度、动压等约束收敛，可能过度偏向规避而削弱综合可行性。其三，搜索参数多固定或仅随代数变化，未利用种群可行与安全状态信息，可行解少时扰动不足、可行解多时扰动过度，难以动态适配。

4、综上，亟需发展一种在同一迭代闭环内关联约束评价、禁飞区安全状态、种群可行状态、参数调节与邻域替换的优化方法。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中多类约束易被混合处理、禁飞区安全裕度未充分参与搜索调节、进化参数与种群可行状态缺少联动等问题，本发明提供一种基于安全裕度与可行性协同引导机制的高超声速飞行器再入轨迹优化方法及系统，以同一代种群的同一次约束评价结果为共同数据源，分别统计硬约束可行比例和禁飞区安全比例，并将二者作为双反馈量作用于自适应ε约束阈值更新、差分进化参数调节和邻域候选解替换过程，能够提高复杂多禁飞区强约束条件下可行轨迹的生成能力、禁飞区规避安全性、多目标解集质量和输出轨迹的可复核性。

2、技术方案：本发明公开一种基于安全裕度与可行性协同引导机制的高超声速飞行器再入轨迹优化方法，包括：

3、获取飞行器初始再入状态、终端期望状态、飞行器参数以及禁飞区数据，并构建包括过程约束、终端约束、控制约束以及禁飞区约束的再入轨迹优化约束体系；

4、将连续攻角剖面和连续倾侧角剖面离散为有限维决策变量，根据有限维决策变量和再入动力学模型获得候选再入轨迹状态序列；

5、基于候选再入轨迹状态序列及再入轨迹优化约束体系构建包括飞行时间、积分热载荷和航迹角平滑性的多目标优化模型，并计算分层约束违反度、综合硬约束违反度及最小禁飞区安全裕度；

6、利用安全裕度与可行性协同引导机制，基于分解的多目标差分进化算法将多目标优化模型分解为多个带权tchebycheff子问题，基于同一代种群分别计算硬约束可行比例和禁飞区安全比例，由此更新自适应ε约束阈值和差分进化缩放因子和交叉概率，利用更新后的自适应ε约束阈值、差分进化缩放因子和交叉概率生成子代，并执行邻域替换，维护可行非支配解集；

7、从可行非支配解集中选取推荐再入轨迹。

8、进一步地，所述初始再入状态包括初始高度、初始经度、初始纬度、初始速度、初始航迹角和初始航向角；所述终端期望状态包括终端高度、终端经度、终端纬度和终端速度；所述飞行器物性与气动参数包括飞行器质量、气动参考面积、头部曲率半径、气动系数及攻角和倾侧角边界；所述禁飞区数据包括各禁飞区中心经纬度、物理半径、安全缓冲距离和有效高度范围。

9、进一步地，所述过程约束包括热流率、动压和过载约束；所述终端约束包括终端高度、经度、纬度和速度的允许误差约束；所述控制约束包括攻角、倾侧角及其变化率边界约束；所述禁飞区约束包括候选再入轨迹相对于禁飞区物理边界及安全缓冲边界的距离约束。

10、进一步地，所述多目标优化模型及分层约束违反度、综合硬约束违反度及最小禁飞区安全裕度的获取，包括：

11、所述多目标优化模型的积分热载荷采用沿轨迹的热流率数值积分，航迹角平滑性采用航迹角变化率平方积分，且三个目标均按最小化处理；

12、所述禁飞区安全裕度根据候选再入轨迹采样点与禁飞区中心之间的球面距离确定，对于第个禁飞区和第个轨迹采样点，安全裕度为：

13、；

14、其中，表示第k个轨迹采样点相对于第个禁飞区安全缓冲边界的裕度；候选再入轨迹的最小禁飞区安全裕度表示为：

15、；

16、对全部禁飞区和全部轨迹采样点取最小值，以获得候选再入轨迹的最小禁飞区安全裕度；禁飞区约束违反度表示为：

17、；

18、其中，为第个轨迹采样点至第个禁飞区中心的球面距离，为禁飞区物理半径，为安全缓冲距离，为安全裕度归一化尺度；不小于零表示候选再入轨迹满足全部禁飞区安全缓冲约束；

19、所述分层约束违反度包括过程约束违反度、终端约束违反度、控制约束违反度以及禁飞区约束违反度，所述过程约束违反度由热流率、动压和过载的归一化超限量组成；终端约束违反度由终端高度、经度、纬度和速度的归一化误差超限量组成；控制约束违反度由攻角、倾侧角和控制变化率的归一化越界量组成；

20、所述综合硬约束违反度为归一化约束违反度、终端约束违反度、控制约束违反度以及禁飞区约束违反度的加权和。

21、进一步地，硬约束可行比例和禁飞区安全比例具体计算为：

22、在第代迭代计算过程中，第代种群中的可行解数量与种群规模的比作为硬约束可行比例，用于表征当前种群进入硬约束可行域的程度，第代种群中的可行解数量即为综合硬约束违反度不大于可行判定容差的个体数量；

23、在第代迭代计算过程中，禁飞区安全缓冲违反量为零的个体数量与种群规模的比例作为禁飞区安全风比例，用于表征当前种群进入硬约束可行域的程度。

24、进一步地，所述基于分解的多目标差分进化算法在迭代优化过程中，自适应约束阈值首先按代数生成衰减的基础约束基础值，再根据硬约束可行比例修正，并通过限制单代收紧速度，具体为：

25、；

26、；

27、其中，为随迭代代数衰减的基础约束阈值，为阈值下限，为初始阈值，为衰减指数，为最大迭代代数，用于根据硬约束可行比例修正阈值的可行比例修正系数，为阈值平滑系数，用于限制相邻两代阈值的收紧速度，时，。

28、进一步地，所述基于分解的多目标差分进化算法在迭代优化过程中，差分进化缩放因子和交叉概率利用所述硬约束可行比例和禁飞区安全比例协同更新，具体为：

29、；

30、其中，为第代差分进化缩放因子，为禁飞区安全比例不足时的搜索强度补偿项，、为差分进化缩放因子上限、下限；

31、

32、其中，和分别为用于根据禁飞区安全风比例调节差分进化缩放因子和交叉概率的补偿系数，交叉概率下限、上限为、。

33、进一步地，在邻域替换时，按照以下规则执行：

34、当子代与邻域个体中至少一个存在禁飞区安全缓冲违反时，优先保留禁飞区安全缓冲违反量较小者；否则，可行个体优先于不可行个体；当二者均为不可行个体时，优先保留综合硬约束违反度较小者，若综合硬约束违反度相同，则优先保留各归一化分层约束违反量之和较小者；当二者均为可行个体时，按照对应权重向量和理想点计算tchebycheff分解标量值并优先保留标量值较小者；当所述分解标量值差异处于给定相近容差内时，优先保留综合硬约束违反度较小者，若综合硬约束违反度相同，则优先保留各归一化约束违反量之和较小者。

35、进一步地，从可行非支配解集中选取推荐再入轨迹时，先从可行非支配解集中筛除未通过终端约束和禁飞区安全缓冲约束的候选解，再采用 topsis选取推荐再入轨迹，同时对推荐再入轨迹进行连续性验证和全约束复核，通过复核时输出推荐再入轨迹、控制剖面、多目标优化函数值、禁飞区安全裕度和约束校核结果；未通过复核时剔除候选解并重新选择，在无合格候选解时继续执行优化搜索。

36、本发明还公开一种基于安全裕度与可行性协同引导机制的高超声速飞行器再入轨迹优化系统，包括数据获取模块、约束体系构建模块、轨迹生成与传播模块、约束评价模块、smfg协同优化模块和决策选择模块，实现上述基于安全裕度与可行性协同引导机制的高超声速飞行器再入轨迹优化方法；其中，

37、所述数据获取模块，用于获取飞行器初始再入状态、终端期望状态、飞行器参数以及禁飞区数据；

38、所述约束体系构建模块，用于构建包括过程约束、终端约束、控制约束以及禁飞区约束的再入轨迹优化约束体系；

39、所述轨迹生成与传播模块，用于将连续攻角剖面和连续倾侧角剖面离散为有限维决策变量，并根据决策变量和再入动力学模型获得候选再入轨迹状态序列；

40、所述约束评价模块，用于构建包括飞行时间、积分热载荷和航迹角平滑性的多目标优化模型，并计算分层约束违反度、综合硬约束违反度及最小禁飞区安全裕度；

41、所述smfg协同优化模块，用于利用安全裕度与可行性协同引导机制，基于分解的多目标差分进化算法将多目标优化模型分解为多个带权tchebycheff子问题，基于同一代种群分别计算硬约束可行比例和禁飞区安全比例，由此更新自适应ε约束阈值和差分进化缩放因子和交叉概率，利用更新后的自适应ε约束阈值、差分进化缩放因子和交叉概率生成子代，并执行邻域替换，维护可行非支配解集；

42、所述决策选择模块，用于从所述可行非支配解集中选取推荐再入轨迹

43、有益效果

44、第一，本发明将禁飞区安全裕度由优化结束后的后验几何校核量转化为参与优化搜索的约束引导量，通过将禁飞区安全缓冲违反量直接纳入约束评价、种群安全比例统计和邻域替换过程，本发明能够避免目标函数较优但禁飞区安全裕度不足的候选轨迹在邻域替换中被优先保留，从而降低候选轨迹贴近或侵入禁飞区安全缓冲边界的风险。

45、第二，本发明基于同一代种群的同一次约束评价结果分别构造硬约束可行比例和禁飞区安全比例。其中，硬约束可行比例用于表征种群进入终端约束、过程约束、控制约束和禁飞区安全缓冲约束共同构成的硬约束可行域的程度，禁飞区安全比例用于表征种群满足禁飞区安全缓冲约束的空间安全状态。二者分别对应约束收敛状态和空间安全风险状态，能够克服单一反馈量难以同时反映整体可行性和禁飞区边界风险的问题。

46、第三，本发明使硬约束可行比例和禁飞区安全比例在同一迭代过程中共同作用于自适应ε约束阈值、差分进化缩放因子、交叉概率和邻域候选解替换过程。相比仅依据单一约束违反度、单一可行比例或单一禁飞区安全状态进行反馈调节，本发明能够使搜索过程既保留向整体可行域收敛的近可行解，又抑制禁飞区安全裕度不足的边界风险轨迹，使搜索扰动强度随种群可行性和禁飞区安全状态动态调整，能够同时处理“整体可行性不足”和“禁飞区边界风险突出”两类问题，使安全裕度与可行性状态形成耦合反馈。

47、第四，本发明在邻域替换中优先比较禁飞区安全缓冲违反量，再结合ε可行状态、综合硬约束违反度、各归一化约束违反量之和以及 tchebycheff 分解标量值进行候选解保留。该替换规则能够避免仅依据目标函数值或单一聚合约束违反度保留安全风险较高的轨迹，使禁飞区安全约束在候选解更新过程中具有明确的判别优先级。

48、第五，本发明通过可行非支配解集维护、推荐轨迹选择和结果验证对输出轨迹进行连续性验证及全约束复核。对于未通过终端约束、过程约束、控制约束或禁飞区安全缓冲约束复核的候选轨迹，将其从推荐候选集合中剔除并重新执行决策选择，在无合格候选解时继续优化搜索。由此能够提高输出再入轨迹的工程可复核性和约束满足可靠性。

49、综上，本发明并非将禁飞区安全裕度评价、ε 约束处理和差分进化参数自适应进行简单并列，而是以同一代种群的同一次约束评价结果为共同数据源，形成约束评价、双反馈生成、约束阈值调节、搜索强度调节、邻域候选解替换、可行非支配解集维护和结果复核的闭环协同机制，从而提高复杂禁飞区约束条件下高超声速飞行器再入轨迹的可行生成能力、安全冗余、多目标解集质量和结果可复核性。