多高超声速飞行器轨迹规划方法和系统

1.本发明涉及高超声速飞行器控制技术领域，尤其是涉及一种多高超声速飞行器轨迹规划方法和系统。


背景技术：

2.高超声速滑翔飞行器具有大航程、高速度、强机动等装备优势，同时杀伤能力强，打击精度高等特点使高超声速滑翔飞行器成为目前航空航天领域的研究热点。随着武器制导精度的不断提高，多飞行器的协同作战突防因为具有良好的鲁棒性和隐蔽性，同时对大型目标的毁伤效能可以达到最大化，所以多飞行器的协同突防也成为信息化作战的关键技术。多高超声速滑翔飞行器协同攻击的典型实例就是齐射攻击。多枚飞行器从不同平台或者同一平台发射，在短时间内对目标进行覆盖式打击，缩小了目标的可规避区域，从而大大提高了突防成功率，因此，带时间约束的多高超声速飞行器轨迹规划方法是提升武器装备作战效能关键技术。
3.当前对带时间约束的多高超声速飞行器轨迹规划方法的研究主要体现在剩余时间估计、协同时间抉择和时间协同控制三个部分上，意在提升剩余时间估计的精度以及效率。但是在对于包含禁飞区约束场景下的多飞行器时间协同轨迹规划还鲜有研究。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多高超声速飞行器轨迹规划方法和系统，以缓解现有技术缺少时间协同场景下包含禁飞区约束的轨迹规划的技术问题。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种多高超声速飞行器轨迹规划方法，包括：基于目标飞行器的飞行状态和条件约束，构建包含时间协同因子的人工势场；所述飞行状态包括飞行环境和飞行器性能；所述条件约束包括威胁区约束和目标区约束；所述时间协同因子为基于各个高超声速飞行器的飞行时间所确定的因子；所述高超声速飞行器包括所述目标飞行器和与所述目标飞行器协同飞行的多个协同飞行器；基于所述人工势场，确定所述目标飞行器的在飞行过程中所受到的虚拟力；所述虚拟力包括虚拟引力和虚拟斥力；基于所述虚拟力，确定所述目标飞行器的控制率；基于所述控制率和所述目标飞行器的再入走廊，确定所述目标飞行器的飞行轨迹；其中，所述虚拟引力的数学形式为：；f
att
为所述虚拟引力，k
att
为引力势场增益系数，l
att
为距离影响增益系数，x为所述目标飞行器的当前位置，xg为目标点位置，k
t
为所述时间协同因子，t为所述目标飞行器的剩余时间估计，t*为协同时间。
6.进一步地，所述虚拟斥力的数学形式为：；其中，，；f
rep
表示所述虚拟斥力；f
rep1
表示由威胁区指向所述目标飞行器的斥力分力，表示由威胁区指向所述目标飞行器的单
位向量；f
rep2
表示由所述目标飞行器指向目标点的斥力分力，表示由所述目标飞行器指向目标点的单位向量；k
rep
表示斥力势场增益系数，d表示所述目标飞行器的当前位置与威胁区的距离，d0表示威胁区作用范围半径大小，x
oi
表示第i个威胁区的位置。
7.进一步地，所述再入走廊包括：热流约束，过载约束，动压约束和伪平衡滑翔条件。
8.进一步地，所述方法还包括：基于所述伪平衡滑翔条件，确定所述目标飞行器的剩余时间估计。
9.进一步地，所述方法还包括：基于各个高超声速飞行器的剩余时间估计，确定所述协同时间。
10.进一步地，所述方法还包括：基于预设设计指标，确定所述时间协同因子；所述预设设计指标包括：，表示对k
t
的设计指标。
11.第二方面，本发明实施例还提供了一种多高超声速飞行器轨迹规划系统，包括：构建模块，第一确定模块，第二确定模块和规划模块，其中，所述构建模块，用于基于目标飞行器的飞行状态和条件约束，构建包含时间协同因子的人工势场；所述目标飞行器为高超声速飞行器；所述飞行状态包括飞行环境和飞行器性能；所述条件约束包括威胁区约束和目标区约束；所述时间协同因子为基于所述目标飞行器与多个协同飞行器的飞行时间所确定的因子；所述第一确定模块，用于基于所述人工势场，确定所述目标飞行器的在飞行过程中所受到的虚拟力；所述虚拟力包括虚拟引力和虚拟斥力；所述第二确定模块，用于基于所述虚拟力，确定所述目标飞行器的控制率；所述规划模块，用于基于所述控制率和所述目标飞行器的再入走廊，确定所述目标飞行器的飞行轨迹；其中，所述虚拟引力的数学形式为：；f
att
为所述虚拟引力，k
att
为引力势场增益系数，l
att
为距离影响增益系数，x为所述目标飞行器的当前位置，xg为目标点位置，k
t
为所述时间协同因子，t为所述目标飞行器的剩余时间估计，t
*
为协同时间。
12.进一步地，还包括：优化模块，用于：基于伪平衡滑翔条件，确定所述目标飞行器的剩余时间估计；基于各个高超声速飞行器的剩余时间估计，确定所述协同时间；基于预设设计指标，确定所述时间协同因子；所述预设设计指标包括：，表示对k
t
的设计指标。
13.第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述的方法的步骤。
14.第四方面，本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，所述程序代码使所述处理器执行上述第一方面所述方法。
15.本发明实施例提供了一种多高超声速飞行器轨迹规划方法和系统，能够在高超声速飞行器滑翔段的动态环境下，针对多高超声速飞行器的协同规划问题中存在多禁飞区约束以及时间约束的场景下，设计改进人工势场法的多高超声速飞行器协同制导系统，最终达到在动态的环境下，多高超声速飞行器能应对突然出现的禁飞区威胁，同时还能协同打击目标，同时解决时间协同打击与实时避障两大难点，缓解了现有技术缺少时间协同场景下包含禁飞区约束的轨迹规划的技术问题。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例提供的一种多高超声速飞行器轨迹规划方法的流程图；图2为本发明实施例提供的一种多约束条件下的时间协同轨迹规划方法示意图；图3为本发明实施例提供的一种多高超声速飞行器轨迹规划系统的示意图；图4为本发明实施例提供的另一种多高超声速飞行器轨迹规划系统的示意图。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.实施例一：图1是根据本发明实施例提供的一种多高超声速飞行器轨迹规划方法的流程图，该方法应用于高超声速飞行器滑翔段制导过程。如图1所示，该方法具体包括如下步骤：步骤s102，基于目标飞行器的飞行状态和条件约束，构建包含时间协同因子的人工势场；飞行状态包括飞行环境和飞行器性能；条件约束包括威胁区约束和目标区约束；时间协同因子为基于各个高超声速飞行器的飞行时间所确定的因子；高超声速飞行器包括目标飞行器和与目标飞行器协同飞行的多个协同飞行器。
20.步骤s104，基于人工势场，确定目标飞行器的在飞行过程中所受到的虚拟力；虚拟力包括虚拟引力和虚拟斥力。
21.步骤s106，基于虚拟力，确定目标飞行器的控制率。
22.步骤s108，基于控制率和目标飞行器的再入走廊，确定目标飞行器的飞行轨迹。
23.其中，虚拟引力的数学形式为：；f
att
为虚拟引力，k
att
为引力势场增益系数，l
att
为距离影响增益系数，x为目标飞行器的当前位置，xg为目标点位置，k
t
为时间协同因子，t为目标飞行器的剩余时间估计，t
*
为协同时间。
24.虚拟斥力的数学形式为：其中，，；f
rep
表示虚拟斥力；f
rep1
表示由威胁区指向目标飞行器的斥力分力，表示由威胁区指向目标飞行器的单位向量；f
rep2
表示由目标飞行器指向目标点的斥力分力，表示由目标飞行器指向目标点的单位向量；k
rep
表示斥力势场增益系数，d表示目标飞行器的当前位置与威胁区的距离，d0表示威胁区作用范围半径大小，x
oi
表示第i个威胁区的位置。
25.可选地，在本发明实施例中，再入走廊包括：热流约束，过载约束，动压约束和伪平衡滑翔条件。
26.本发明实施例提供了一种多高超声速飞行器轨迹规划方法，能够在高超声速飞行器滑翔段的动态环境下，针对多高超声速飞行器的协同规划问题中存在多禁飞区约束以及时间约束的场景下，设计改进人工势场法的多高超声速飞行器协同制导系统，最终达到在动态的环境下，多高超声速飞行器能应对突然出现的禁飞区威胁，同时还能协同打击目标，同时解决时间协同打击与实时避障两大难点，缓解了现有技术缺少时间协同场景下包含禁飞区约束的轨迹规划的技术问题。
27.本发明的目的是提供一种多高超声速飞行器滑翔段的时间协同轨迹规划方法，侧重点在于对抗环境下的飞行器安全突破敌方威胁区的拦截，同时实现协同打击的目标。本发明实施例通过人工势场法实现对禁飞区的规避以及时间协同约束的满足，具体的多约束条件下的时间协同轨迹规划方法如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种多约束条件下的时间协同轨迹规划方法示意图。
28.敌方防御系统环境建模主要考虑静态威胁建模，其中静态威胁又分为探测型威胁和攻击型威胁。探测型威胁主要考虑雷达，在仿真环境中用有限高圆柱体表示；攻击型威胁主要考虑有一定射程射高限制的反导武器系统。
29.在高超声速飞行器在线轨迹规划前，首先基于牛顿力学原理建立了考虑地球曲率和地球自转的滑翔飞行的运动方程。然后考虑到飞行器在滑翔段飞行过程中所受到的热流、过载、动压约束，结合伪平衡滑翔条件，确定了高超声速飞行器再入飞行走廊。
30.三维空间内，高超声速飞行器滑翔段在航迹坐标系下的运动模型，如下式所示：其中，r表示高超声速飞行器质心相对于地球的地心距，θ表示经度，φ表示纬度，vk、θ、φ分别表示飞行器相对旋转地球的速度、航迹倾斜角、航迹方位角，ωe表示地球的自转角速率，σ表示倾侧角，d表示飞行器所受空气阻力，l表示升力。
31.再入飞行走廊主要由高超声速飞行器滑翔段飞行过程中受到的过程约束组成，主要有以下约束：（1）热流约束：
式中，为飞行器头部驻点热流密度，常数k=5.188
×
10-8
，ρ为大气密度，热流密度单位为kw/m2，飞行器可以承受的最大热流密度。
32.（2）过载约束：式中，n为飞行器受到的法向气动过载，飞行器可以承受的最大过载n
t,max
=6g，g为当地的重力加速度。
33.（3）动压约束：式中，飞行器可以承受的最大动压q
max
=300kpas。
34.考虑到大气密度ρ的模型可以采用简化的指数形式，即：ρ=ρ0e
(-h/hs)
，其中，ρ0=1.225g/l，表示海平面的大气密度；hs=7200m；h=r-re，re=6378km，re表示地球半径。得到过程约束如下：考虑到牵连加速度对飞行器的影响远远小于科氏加速度，所以本发明实施例在伪平衡滑翔条件中忽略牵连加速度项。而升力体飞行器的大部分再入轨迹，航迹倾斜角θ通常很小，并且变化相对很慢。令cosθ=1，，得伪平衡条件如下：在建立模型以及确定飞行参数和敌方防御区域类型后，将采用人工势场法对禁飞区进行规避。结合时间协同约束，改进的引力势场形式为：对引力场进行负梯度的求导得引力函数为：其中，u
max
表示最大势场值，f
att
在实现中将取其绝对值，k
att
表示引力势场增益系数，l
att
表示距离影响增益系数，x表示当前高超声速飞行器的位置，xg表示执行任务打击目标点，所以x-xg是指目标点指向高超声速飞行器的距离向量。t为剩余估计时间，t
*
为协同打击时间，k
t
为时间协同因子，k
atv
为引力势场的速度增益系数。
35.同时，基于时间协同约束的斥力势场设计为：对斥力场进行负梯度的求导得斥力函数为:
其中，，。
36.表示作用力f
rep1
的方向是由威胁区指向飞行器，表示作用力f
rep2
的方向是由飞行器指向目标点，k
rep
表示斥力势场增益系数，d表示当前高超声速飞行器与威胁区的距离，d0表示威胁区作用范围半径大小，x
oi
表示是第i个威胁区，所以x-x
oi
是指第i个威胁区指向高超声速飞行器的距离向量，k
rev
为斥力势场的速度增益系数。
37.可选地，本发明实施例提供的方法还包括：基于伪平衡滑翔条件，确定目标飞行器的剩余时间估计；基于各个高超声速飞行器的剩余时间估计，确定协同时间；基于预设设计指标，确定时间协同因子；预设设计指标包括：，表示对kt的设计指标。
38.具体地，在确定势场函数的形式后，上述的函数中还存在引力势场增益系数k
att
，距离影响增益系数l
att
，斥力势场增益系数k
rep
，时间协同因子为k
t
无法确定，将采用生物地理学算法对系数进行优化确定最终的系数大小，主要设计过程为递进式：首先将势场的时间影响因子置为0，即不计入时间因子对势场的影响；在仿真条件初始只带入单飞行器，采用人工势场法实现单机的突防效果；同时调整单机的人工势场法的鲁棒性为最佳。
39.将时间影响因子代入仿真条件中，仿真中引入剩余时间估计，协同时间抉择以及协同时间控制算法调整时间协同的时间因子，基于改进的人工势场法实现禁飞区的规避以及协同突防。在剩余时间估计部分主要实现对各个高超声速飞行器的剩余飞行时间进行估计，为后续的协同时间抉择做参考。由上述的制导律将令高超声速飞行器定高平飞，因此将基于伪平衡滑翔条件对剩余时间的表达式进行推导。
40.由于飞行器高度远小于地球半径re,即r/re≈1,结合式伪平衡条件可以得到:即:对上式两边进行积分,得到:由此,可以得到剩余飞行时间的解析估算表达式为:由上述表达式就可对飞行器的剩余时间进行估计，进而实现时间协同。
41.接下来对协同时间抉择进行描述，协同时间需要根据当前各个飞行器的飞行时间做出交集来确定最后的协同时间t
*
。具体的实现方式如下：由于飞行器的飞行时间主要取决于与目标点的视线误差，当飞行视线误差越大，
飞行器的机动范围越大，飞行时间越长，飞行视线误差越小则飞行器的飞行曲率约低，飞行时间越短。因此对飞行器的最大飞行时间与最小飞行时间的计算方式如下式：即，将上式从初始剩余航程积分至剩余航程为0时，即可得到飞行器的全程飞行时间。而飞行时间主要取决于视线角误差
△
φ，当限制
△
φ变化范围为[
△
φ
min
,
△
φ
max
]，即可得到最大飞行时间以及最小飞行时间t
max,i
,t
min,i
，因此，各个高超声速飞行器的最大飞行时间与最小飞行时间的计算方式为：此时，协同时间抉择t
*
为上述时间的并集，即：最后，协同时间控制方式则通过控制调整时间协同因子k
t
实现。基于设计的指标：j(k
t
)=min(|t-t
*
|)。
[0042]
所设计的指标要求各个飞行器的飞行时间尽量靠近所抉择出的协同时间，并且通过调整时间协同因子k
t
来控制飞行时间。
[0043]
至此完成剩余时间估计，协同时间抉择以及协同时间控制三个部分的总体设计。引入时间协同因子，不仅不改变人工势场避障的功能，同时能实现多飞行器的时间协同。
[0044]
最后，本发明实施例提供的方法，采用生物地理学算法优化上述的相关系数，增强算法的鲁棒性。
[0045]
基于上述步骤完成时间协同的算法设计能完成避障加时间协同的双重任务，但是这样规划出的多个飞行器轨迹并不是最优的，在节约飞行器能量上并没有达到最优。因此将采用生物地理学优化算法优化人工势场法相关系数来优化多飞行器的总能量。生物地理学优化算法的过程具体如下：1）初始化生物地理学优化算法参数，给定栖息地内所能容纳生物物种的最大个数numvar，现生存生物个体的规模size，迭代运算的代数genlimit，每一代保留下来的精英个数numelites，该栖息地的迁移模型，每个生物个体的最小迁入率minlambda和最小迁出率minmu，每个生物个体的最大迁入率i和最大迁出率e，一般定义i=e=1,生物个体变异的概率pm；初始化待优化的人工势场法的增益系数k
att
、l
att
、k
t
、k
rep
，并给定这些增益系数的取值范围。
[0046]
2）首先进行筛选，对那些相同的生物个体只保留一个，剩下的重新赋值，保证该栖息地没有两个个体属于同一物种；计算该栖息地的hsi，并对其进行排序。
[0047]
3）如果通过步骤2）得到的这一代的最优解能够满足目标函数要求，那就直接输出，结束迭代运算；否则，将执行步骤4）。
[0048]
4）根据numelites保留这一代的精英个体，同时计算该栖息地物种的迁入率λ、迁出率μ；并根据迁入率和迁出率，以及突变率执行迁移、变异操作。
[0049]
5）更新该栖息地的生物物种分布，跳回到步骤2），继续迭代运算。
[0050]
由以上描述可知，本发明实施例提供了一种多高超声速飞行器轨迹规划方法，通过在人工势场中引入时间协同因子的方式，可以达到如下技术效果：1、设计人工势场的势场函数形式，使高超声速飞行器能够在动态的环境下规避禁飞区，提升突防概率。
[0051]
2、结合时间约束改进人工势场法，设计多滑翔飞行器的制导系统，使多飞行器能够规避禁飞区且能同时打击目标，提升毁伤效能。
[0052]
实施例二：图3是根据本发明实施例提供的一种多高超声速飞行器轨迹规划系统的示意图。如图3所示，该系统包括：构建模块10，第一确定模块20，第二确定模块30和规划模块40。
[0053]
构建模块10，用于基于目标飞行器的飞行状态和条件约束，构建包含时间协同因子的人工势场；目标飞行器为高超声速飞行器；飞行状态包括飞行环境和飞行器性能；条件约束包括威胁区约束和目标区约束；时间协同因子为基于目标飞行器与多个协同飞行器的飞行时间所确定的因子。
[0054]
第一确定模块20，用于基于人工势场，确定目标飞行器的在飞行过程中所受到的虚拟力；虚拟力包括虚拟引力和虚拟斥力。
[0055]
第二确定模块30，用于基于虚拟力，确定目标飞行器的控制率。
[0056]
规划模块40，用于基于控制率和目标飞行器的再入走廊，确定目标飞行器的飞行轨迹。
[0057]
其中，虚拟引力的数学形式为：；f
att
为虚拟引力，k
att
为引力势场增益系数，l
att
为距离影响增益系数，x为目标飞行器的当前位置，xg为目标点位置，k
t
为时间协同因子，t为目标飞行器的剩余时间估计，t
*
为协同时间。
[0058]
虚拟斥力的数学形式为：其中，，；f
rep
表示虚拟斥力；f
rep1
表示由威胁区指向目标飞行器的斥力分力，表示由威胁区指向目标飞行器的单位向量；f
rep2
表示由目标飞行器指向目标点的斥力分力，表示由目标飞行器指向目标点的单位向量；k
rep
表示斥力势场增益系数，d表示目标飞行器的当前位置与威胁区的距离，d0表示威胁区作用范围半径大小，x
oi
表示第i个威胁区的位置。
[0059]
可选地，在本发明实施例中，再入走廊包括：热流约束，过载约束，动压约束和伪平衡滑翔条件。
[0060]
本发明实施例提供了一种多高超声速飞行器轨迹规划系统，能够在高超声速飞行器滑翔段的动态环境下，针对多高超声速飞行器的协同规划问题中存在多禁飞区约束以及时间约束的场景下，设计改进人工势场法的多高超声速飞行器协同制导系统，最终达到在动态的环境下，多高超声速飞行器能应对突然出现的禁飞区威胁，同时还能协同打击目标，
同时解决时间协同打击与实时避障两大难点，缓解了现有技术缺少时间协同场景下包含禁飞区约束的轨迹规划的技术问题。
[0061]
可选地，图4是根据本发明实施例提供的另一种多高超声速飞行器轨迹规划系统的示意图。如图4所示，该系统还包括：优化模块50，用于：基于伪平衡滑翔条件，确定目标飞行器的剩余时间估计；基于各个高超声速飞行器的剩余时间估计，确定协同时间；基于预设设计指标，确定时间协同因子；预设设计指标包括：，表示对k
t
的设计指标。
[0062]
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述实施例一中的方法的步骤。
[0063]
本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，程序代码使处理器执行上述实施例一中的方法。
[0064]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。