本发明涉及航空、航天飞行器技术领域，具体是一种耦合飞行器rcs特性的轨迹设计方法。
背景技术：
随着军事技术的不断发展，飞行器与防空体系之间的攻防对抗日益激烈。飞行器突防过程中，雷达是主要的威胁，因此，隐身性能发挥着重要作用。提高隐身技术一方面可以通过一定的技术手段来减少自身特征信号；另一方面，在无法直接改变目标特征信号情况下，可以通过轨迹规划，降低雷达探测概率。
在隐身轨迹规划研究方面，一些学者仅考虑了飞行器与雷达之间的距离因素的影响，认为飞行器的雷达散射截面积(radarcrosssection,rcs)与姿态无关。但实际战场环境下，飞行器相对雷达入射波的角度是不断变化的，因此，飞行器rcs值是动态变化的。虽然一些研究方法进一步考虑到飞行器rcs受姿态的影响，但没有对飞行器rcs模型做详细论述，且研究多在二维空间内进行了简化，飞行器的速度较低且大多假设为匀速飞行状态。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：从建立飞行器rcs特征模型入手，研究耦合飞行器rcs特性的轨迹设计问题。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种耦合飞行器rcs特性的轨迹设计方法，包括以下步骤：
步骤1，以类高超声速飞行器为研究对象，通过高斯滤波和多项式拟合方法建立飞行器rcs特征模型；
步骤2，综合考虑雷达最大探测距离、飞行器rcs、飞行器与雷达之间的距离的影响，建立雷达探测概率模型；
步骤3，综合考虑飞行器动力学模型、飞行器rcs模型、雷达探测概率模型，建立轨迹优化求解框架；
步骤4，基于hp-自适应radau伪谱法，将轨迹优化问题转换为非线性规划问题，并结合逐步增加约束法进行求解，最终得到满足多约束条件下的飞行轨迹；
步骤5，输出飞行时间、飞行位置及姿态数据。
作为优选，步骤1中，所述通过高斯滤波和多项式拟合方法建立飞行器rcs特征模型包括以下子步骤：
步骤101，基于物理光学法，获取飞行器全向rcs数据；
步骤102，对得到的飞行器全向rcs数据作为原始数据采用高斯滤波法进行光滑处理，其中，高斯滤波函数可表示为：
式中，σ1表示方差，x,y表示滤波原始数据；
步骤103，对经高斯滤波法光滑处理得到的数据采用多项式拟合进行处理，其中，选取的多项式可表示为：
式中，pi,j为拟合多项式系数，θr为飞行器在雷达坐标系下的高低角，φr为飞行器在雷达坐标系下的方位角。
作为优选，步骤2中，所述综合考虑雷达最大探测距离、飞行器rcs、飞行器与雷达之间距离的影响，建立雷达探测概率模型包括：
将雷达瞬时探测概率定义如下：
式中，r为飞行器与雷达之间的距离，rmax为雷达最大探测距离，c1和c2是由雷达自身功率、信号处理能力以及频点等配置参数决定的常数，σrcs为飞行器rcs。
作为优选，假设复杂战场环境下，飞行器受到敌方由n座雷达构成的组网雷达系统的联合探测，飞行器受到的总威胁可表示为：
式中，p(k)表示飞行器受到的第k座雷达的威胁；
在整个飞行过程中，飞行器受到的雷达威胁积分可表示为：
式中，t0为初始时刻，tf为末端时刻。
作为优选，步骤3中，所述综合考虑飞行器动力学模型、飞行器rcs模型、雷达探测概率模型，建立轨迹优化求解框架包括：
考虑模型之间的耦合性，计算飞行器某一飞行状态下的rcs时，首先需要计算当前时刻对应的高低角θr和方位角φr；
假设当前时刻飞行器和雷达的位置分别为(λ,φ,r)、(λr,φr,rr)，在地心坐标系e下的位置可表示为(x,y,z)＝(rcosφcosλ,rcosφsinλ,rsinφ)、(xr,yr,zr)＝(rrcosφrcosλr,rrcosφrsinλr,rrsinφr)；
则地心坐标系e下，雷达相对于飞行器位置的单位向量
作为优选，所述单位向量
式中，re为地心坐标系到雷达坐标系的转换矩阵。
作为优选，计算出当前时刻飞行器rcs对应的参数θr和φr：
式中，
作为优选，步骤4中，所述基于hp-自适应radau伪谱法，将轨迹优化问题转换为非线性规划问题，并结合逐步增加约束法进行求解包括以下子步骤：
步骤401，基于前述建立最优控制问题模型，添加必要的端点约束并配置好数值算法，以最短时间为优化目标，得到满足端点约束的最短时间轨迹；
步骤402，以雷达对飞行器的最小探测威胁为优化目标，以步骤401的优化结果作为求解初值，得到最小威胁轨迹；
步骤403，添加过程约束，以步骤402的优化结果作为求解初值，得到满足过程约束的最小威胁轨迹。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现前面所述方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现前面所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益之处是：
本发明提供的耦合飞行器rcs特性的轨迹设计方法可以保证在雷达探测威胁条件下，飞行器通过控制自身姿态以降低飞行器rcs，并实施机动绕飞，从而使得飞行器轨迹能够有效规避雷达的探测，实现飞行器快速安全突防。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1是飞行器全向rcs数据图；
图2是经高斯滤波法处理后得到的rcs数据图；
图3是经多项式拟合处理后得到的rcs数据图；
图4是耦合飞行器rcs特性的轨迹优化问题求解框架图；
图5是逐步增加约束求解的流程示意图；
图6是二维轨迹曲线图；
图7是雷达与飞行器之间的距离曲线图；
图8是三个算例情况下瞬时探测概率曲线图；
图9是算例2和算例3瞬时探测概率曲线图；
图10是rcs随时间变化曲线图；
图11是姿态角轨迹曲线图；
图12是攻角变化曲线图；
图13是倾侧角变化曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例一
如附图1-图5所示的一种耦合飞行器rcs特性的轨迹设计方法，可以保证在雷达探测威胁条件下，飞行器通过控制自身姿态以降低飞行器rcs，并实施机动绕飞，从而使得飞行器轨迹能够有效规避雷达的探测，实现飞行器快速安全突防，具体包括以下步骤：
步骤1，以类高超声速飞行器，即htv-2(hypersonictechnologyvehicle-2)为研究对象，通过高斯滤波和多项式拟合方法建立飞行器rcs特征模型；进一步包括以下子步骤：
步骤101，基于物理光学法，自编程快速计算获取飞行器全向rcs数据；
步骤102，针对得到的原始数据起伏剧烈、连续性较差的劣势，首先采用高斯滤波法进行光滑处理，其中，高斯滤波是一种低通的加权滤波，对于数据光滑处理十分有效，高斯滤波原理认为，某一方位的rcs数值不仅与本身有关，还应当受到其相邻区域内rcs的影响，高斯滤波函数可表示为：
式中，σ1表示方差，x,y表示滤波原始数据；通过高斯滤波处理得到的飞行器rcs数据如图2所示；
步骤103，对经高斯滤波法光滑处理得到的数据采用多项式拟合进行处理，其中，选取的多项式可表示为：
式中，pi,j为拟合多项式系数，θr为飞行器在雷达坐标系下的高低角，φr为飞行器在雷达坐标系下的方位角，为保证一定拟合精度并减小公式拟合的复杂度，取m＝n＝5；通过多项式拟合得到的rcs数据如图3所示。
步骤2，综合考虑雷达最大探测距离、飞行器rcs、飞行器与雷达之间的距离的影响，建立雷达探测概率模型；进一步包括将雷达瞬时探测概率定义如下：
式中，r为飞行器与雷达之间的距离，rmax为雷达最大探测距离，c1和c2是由雷达自身功率、信号处理能力以及频点等配置参数决定的常数，σrcs为飞行器rcs；从该公式可以看出，当雷达性能参数确定时，雷达瞬时探测概率与飞行器rcs和飞行器与雷达之间的距离相关。
假设复杂战场环境下，飞行器受到敌方由n座雷达构成的组网雷达系统的联合探测，飞行器受到的总威胁可表示为：
式中，p(k)表示飞行器受到的第k座雷达的威胁；
在整个飞行过程中，飞行器受到的雷达威胁积分可表示为：
式中，t0为初始时刻，tf为末端时刻。
步骤3，综合考虑飞行器动力学模型、飞行器rcs模型、雷达探测概率模型，建立轨迹优化求解框架，如图4所示；进一步包括：
考虑模型之间的耦合性，计算飞行器某一飞行状态下的rcs时，首先需要计算当前时刻对应的高低角θr和方位角φr；
假设当前时刻飞行器和雷达的位置分别为(λ,φ,r)、(λr,φr,rr)，在地心坐标系e下的位置可表示为(x,y,z)＝(rcosφcosλ,rcosφsinλ,rsinφ)、(xr,yr,zr)＝(rrcosφrcosλr,rrcosφrsinλr,rrsinφr)；则地心坐标系e下，雷达相对于飞行器位置的单位向量
所述单位向量
式中，re为地心坐标系到雷达坐标系的转换矩阵；
由此计算出当前时刻飞行器rcs对应的参数θr和φr：
式中，
步骤4，基于hp-自适应radau伪谱法，将轨迹优化问题转换为非线性规划问题，并结合逐步增加约束法进行求解，最终得到满足多约束条件下的飞行轨迹；进一步包括：
步骤401，基于前述建立最优控制问题模型，添加必要的端点约束并配置好数值算法，以最短时间为优化目标，得到满足端点约束的最短时间轨迹；
步骤402，在步骤401的基础上，以雷达对飞行器的最小探测威胁为优化目标，以步骤401的优化结果作为求解初值，得到最小威胁轨迹；
步骤403，在步骤402的基础上，添加过程约束，以步骤402的优化结果作为求解初值，得到满足过程约束的最小威胁轨迹。
步骤5，输出飞行时间、飞行位置及姿态数据。
下面对本发明提供的一种耦合飞行器rcs特性的轨迹设计方法进行验证。
表1给出了所需的仿真参数：
表1仿真参数设置
设计以下几个算例：
(1)为有效打击时敏目标，以最短时间为目标函数，设计一条从初始点到目标点的最优轨迹，且满足上述飞行过程各项约束条件，记为mt；
(2)为实现有效隐身，减少雷达探测威胁，以整个飞行过程中，雷达探测概率积分最小为目标函数，设计一条从初始点到目标点的最优轨迹，且满足上述飞行过程各项约束条件，记为mp；
(3)根据算例(2)仿真结果，为进一步降低飞行过程中瞬时探测概率，以瞬时探测概率p＜0.003为过程约束，以全程雷达探测概率积分最小为目标函数进行轨迹优化，记为mp&pc。
得到的仿真结果如图6-图13所示，其中，图6是二维轨迹曲线图；图7是雷达与飞行器之间的距离曲线图；图8是三个算例情况下瞬时探测概率曲线图；图9是算例2和算例3瞬时探测概率曲线图；图10是rcs随时间变化曲线图；图11是姿态角轨迹曲线图；图12是攻角变化曲线图；图13是倾侧角变化曲线图。综合上述三个仿真算例可知，在不考虑雷达探测威胁的情况下，为实现最短时间飞行，飞行轨迹将穿过雷达探测区域中心，以实现对时敏目标的快速打击；当考虑到飞行过程中，雷达探测会对飞行器产生威胁时，为实现威胁最小，飞行器在其控制范围内，通过改变姿态角，以降低飞行器rcs，并实施机动绕飞，以降低全程探测威胁；同时，当添加瞬时探测概率约束作为过程约束时，仍能够得到满足要求的飞行轨迹。
实施例二
本发明在实施例一的基础上还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例一所述方法的步骤。
实施例三
本发明在实施例一的基础上还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例一所述方法的步骤。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
1.一种耦合飞行器rcs特性的轨迹设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，以类高超声速飞行器为研究对象，通过高斯滤波和多项式拟合方法建立飞行器rcs特征模型；
步骤2，综合考虑雷达最大探测距离、飞行器rcs、飞行器与雷达之间的距离的影响，建立雷达探测概率模型；
步骤3，综合考虑飞行器动力学模型、飞行器rcs模型、雷达探测概率模型，建立轨迹优化求解框架；
步骤4，基于hp-自适应radau伪谱法，将轨迹优化问题转换为非线性规划问题，并结合逐步增加约束法进行求解，最终得到满足多约束条件下的飞行轨迹；
步骤5，输出飞行时间、飞行位置及姿态数据。
2.根据权利要求1所述的一种耦合飞行器rcs特性的轨迹设计方法，其特征在于，步骤1中，所述通过高斯滤波和多项式拟合方法建立飞行器rcs特征模型包括以下子步骤：
步骤101，基于物理光学法，获取飞行器全向rcs数据；
步骤102，对得到的飞行器全向rcs数据作为原始数据采用高斯滤波法进行光滑处理，其中，高斯滤波函数可表示为：
式中，σ1表示方差，x,y表示滤波原始数据；
步骤103，对经高斯滤波法光滑处理得到的数据采用多项式拟合进行处理，其中，选取的多项式可表示为：
式中，pi,j为拟合多项式系数，θr为飞行器在雷达坐标系下的高低角，φr为飞行器在雷达坐标系下的方位角。
3.根据权利要求1所述的一种耦合飞行器rcs特性的轨迹设计方法，其特征在于：步骤2中，所述综合考虑雷达最大探测距离、飞行器rcs、飞行器与雷达之间距离的影响，建立雷达探测概率模型包括：
将雷达瞬时探测概率定义如下：
式中，r为飞行器与雷达之间的距离，rmax为雷达最大探测距离，c1和c2是由雷达自身功率、信号处理能力以及频点等配置参数决定的常数，σrcs为飞行器rcs。
4.根据权利要求3所述的一种耦合飞行器rcs特性的轨迹设计方法，其特征在于：假设复杂战场环境下，飞行器受到敌方由n座雷达构成的组网雷达系统的联合探测，飞行器受到的总威胁可表示为：
式中，p(k)表示飞行器受到的第k座雷达的威胁；
在整个飞行过程中，飞行器受到的雷达威胁积分可表示为：
式中，t0为初始时刻，tf为末端时刻。
5.根据权利要求1所述的一种耦合飞行器rcs特性的轨迹设计方法，其特征在于：步骤3中，所述综合考虑飞行器动力学模型、飞行器rcs模型、雷达探测概率模型，建立轨迹优化求解框架包括：
考虑模型之间的耦合性，计算飞行器某一飞行状态下的rcs时，首先需要计算当前时刻对应的高低角θr和方位角φr；
假设当前时刻飞行器和雷达的位置分别为(λ,φ,r)、(λr,φr,rr)，在地心坐标系e下的位置可表示为(x,y,z)＝(rcosφcosλ,rcosφsinλ,rsinφ)、(xr,yr,zr)＝(rrcosφrcosλr,rrcosφrsinλr,rrsinφr)；
则地心坐标系e下，雷达相对于飞行器位置的单位向量
6.根据权利要求5所述的一种耦合飞行器rcs特性的轨迹设计方法，其特征在于：所述单位向量
式中，re为地心坐标系到雷达坐标系的转换矩阵。
7.根据权利要求6所述的一种耦合飞行器rcs特性的轨迹设计方法，其特征在于：计算出当前时刻飞行器rcs对应的参数θr和φr：
式中，
8.根据权利要求1所述的一种耦合飞行器rcs特性的轨迹设计方法，其特征在于：步骤4中，所述基于hp-自适应radau伪谱法，将轨迹优化问题转换为非线性规划问题，并结合逐步增加约束法进行求解包括以下子步骤：
步骤401，基于前述建立最优控制问题模型，添加必要的端点约束并配置好数值算法，以最短时间为优化目标，得到满足端点约束的最短时间轨迹；
步骤402，以雷达对飞行器的最小探测威胁为优化目标，以步骤401的优化结果作为求解初值，得到最小威胁轨迹；
步骤403，添加过程约束，以步骤402的优化结果作为求解初值，得到满足过程约束的最小威胁轨迹。
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。
技术总结