Применение Парето-аппроксимации в задаче многокритериального оптимального управления спуском космического аппарата

Введение

В данной работе исследуется оптимальное управление КА при спуске в атмосфере Юпитера. Сделано предположение, что искомая траектория принадлежит к классу «траекторий с отражениями». Для оценки эффективности снижения тепловых нагрузок на КА, определения оптимального управления КА и определения номинальной траектории исследуются двухпараметрические способы управления спускаемыми аппаратами в атмосфере Юпитера при помощи совместного управления углами крена и атаки. Для решения многокритериальной задачи глобальной оптимизации в условиях несовместности частных критериев оптимальности, используется аппроксимация фронта Парето. Данный подход может обеспечить существенный выигрыш по ряду ключевых параметров при спуске КА в атмосфере Юпитера.

Постановка задачи Парето-аппроксимации

Пусть совокупность частных критериев оптимальности fi(X),  i ∈ [1:|F|]  образует векторный критерий оптимальности F(X) ∈ {F}, где X ∈ {X}  – вектор варьируемых параметров; {X}, {F} – пространства параметров и критериев соответственно. Здесь и далее запись вида |F| , где F – некоторый вектор или счетное множество, означает размерность этих объектов. Положим, что ставится задача минимизации каждого из частных критериев в одной и той же области допустимых значений D_X ⊂ R^|X|. Тогда задачу многокритериальной оптимизации условно записываем в виде

 (1)

где X*,  F* ‑ решения задачи. Полагаем, что частные критерии оптимальности нормализованы, так что для всех X ∈ D_X  справедливы соотношения f_i(X) ∈ [0; 1], i ∈ [1:|F|].

Множество достижимости задачи (1) обозначаем D_F , а множество Парето и фронт Парето – D_X^*, D_F^* соответственно. При этом фронтом Парето D_F^* является нижняя граница оптимального по Парето множества D_X^*. Ставим задачу приближенного построения множества Парето (а, тем самым, и фронта Парето) в задаче многокритериальной оптимизации (1). Называем эту задачу задачей Парето-аппроксимации.

Здесь и далее точка F'(X') ∈ DF является не доминируемой и входит в множество Парето, если не существует F'(X') ∈ D_F  такой, что f_i(X) ≤ f_i(X'),  для всех i ∈ [1:|F|]  для хотя бы одного i.

Пусть тем или иным образом уже сформировано архивное множество A^F, содержащее не доминируемые точки F_i^A, а также архивное множество A^X  соответствующих ему точек X_i^A; i ∈ [1: |A|], |A| = |A^F| = |A^X|. Если при этом на итерации t появляется новая точка F_j, доминирующая некоторые точки из архива A^F , то все доминируемые точки, а также соответствующие точки из архива A^X, удаляем. При удовлетворении некоторого критерия останова текущее содержимое архивов A^F, A^X полагаем искомой аппроксимацией фронта Парето D_F* и множества Парето D_X* соответственно.

В популяционных методах Парето-аппроксимации новые точки для архивов A^F, A^X «поставляет» популяция S особей s_i, текущие координаты которых в пространстве поиска {X} равны X_i , а в пространстве {F} – F_i = F(X_i); i ∈ [1: |S|]. Миграция особей в пространстве поиска в популяционных алгоритмах оптимизации подчинена задаче минимизации (для определенности) значений некоторой фитнесс-функции ϕ(X) [1].

В данной работе можно интерпретировать особь s_i как траекторию спуска КА, полученную при единичном расчете, а популяцию S - как множество всех траекторий, полученных на одной итерации.

Фитнесс-функцию ϕ(X) строим с помощью алгоритма недоминируемой сортировки (Non-Dominated Sorting, NDS). Положим, что все частные критерии оптимальности являются одинаково важными. Ранг особи s_i, i ∈ [1: |S|] в его текущем положении X_i обозначаем r_i. В алгоритме NDS используется простейшее из правил вычисления рангов, имеющее следующий вид.

1. Выбираем среди всех особей популяции недоминируемых, присваиваем им ранг, равный единице, и исключаем из дальнейшего рассмотрения.

2. Среди оставшихся особей выбираем недоминируемых, присваиваем им ранг, равный двум, и исключаем из дальнейшего рассмотрения. И так далее до исчерпания популяции.

Приспособленность особи S_i  вычисляем по формуле [2]

ϕ(X_i)=1/(1+r_i), i ∈ [1: |S|].

Фронт Парето строится при помощи популяционного алгоритма многокритериальной оптимизации Big Bang-Big Crunch [3].

Постановка двухкритериальной задачи управления спуском КА в атмосфере Юпитера

Математическую модель объекта управления представляет система обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ) [4, 5]:

 (1)

r=R+H,

 (2)

 (3)

Приняты следующие условные обозначения: V – скорость КА, км/c; θ – угол наклона вектора скорости к местному горизонту, градусы; ε – угол между проекцией вектора скорости на местный горизонт и местной параллелью, градусы; H – высота полета КА над поверхностью Юпитера, км; λ и φ – джовицентрические долгота и широта соответственно, градусы; m – масса КА, кг; Q – тепловой поток, кДж/см²; R – экваториальный радиус Юпитера, км (R = 69911 км); ρ – плотность атмосферы, кг/м3 ; μ – произведение постоянной притяжения на массу Юпитера, км³/сек² , (μ = 126686534 км³/сек²); r – радиус-вектор в ареоцентрической экваториальной системе координат, км; Px – приведенная нагрузка на лобовую поверхность КА, кг/м² ; К_б – аэродинамическое качество; γ – угол крена, градусы; α – угол атаки, градусы; T – температура в критической точке, К; n – перегрузка; T_разр – температура разрушения материала теплозащитного покрытия, К, (T_разр=1927 К); C₁ – теплоемкость материала теплозащитного покрытия, ккал/м·с·град (C₁=0 при T(_t)<T_разр, C₁=0,4 при T(t)≥Tразр); S_ун – площадь уноса, м, (S_ун=4,3 м); q_k – конвективный тепловой поток, кДж/см²; qr – радиационный тепловой поток, кДж/см²; A, B – коэффициенты поглощательной способности материала теплозащитного покрытия; σ – постоянная Стефана-Больцмана (σ=5.6696 ∙ 10^-12 Вт ∙ см^-2 ∙град^-4); ε_изл – коэффициент, характеризующий излучательную способность теплозащитного материала (ε_изл = 0,9); η_эфф – эффективная энтальпия, ккал/м, (η_эфф = 1000); g₃ – ускорение свободного падения на поверхности Земли, км/сек² , (g_з = 9.8 · 10^-3 км/сек²).

Согласно имеющимся материалам [6], приближенно можно принять: B = 1,291·10⁵ Дж/м^3/2ч, A=3,035·10⁷  Вт/м².

Шкала высот атмосферы Юпитера сильно зависит от высоты h относительно уровня, на котором давление окружающего газа p = 1 бар, а соответствующая плотность ρ = ρ₀  = 1,7 ∙ 10⁴  г/см³ [7]. Примем данную высоту нулевой уровень (границу облаков). На высотах, где p > 1  бар, атмосфера Юпитера изотермична [8], а распределения давления и плотности достаточно хорошо аппроксимируется экспоненциальной зависимостью. Плотность меняется для p < 1 бар, h > 0  по закону

ρ = ρ₀  = ехр(-h/Δ),

где Δ – масштаб неоднородности атмосферы, Δ ~ 23,5 км [9]; для p > 1 бар,  h ≤ 0

ρ = ρ₀  = (1 - h/Δ)^2,27,

где Δ – масштаб неоднородности атмосферы, Δ ~ 75 км [10]; 

Для формы аппарата типа «несущий корпус» аэродинамические характеристики могут быть аппроксимированы следующими аналитическими зависимостями:

(4)

 (5)

Управление КА в атмосфере осуществляется путем изменения углов крена γ и атаки α. Значения γ и α могут варьироваться в пределах:

-π≤γ≤π, 0 ≤ α ≤α_max (6)

Начальная точка траектории t = t0 соответствует моменту входа КА в атмосферу планеты, конечная точка траектории является моментом достижения поверхности планеты, либо моментом достижения высоты, на которой атмосферное давление достигает одной земной атмосферы. При этом все значения параметров КА известны.

V(t₀) = V₀,θ(t₀) = θ₀,ε(t₀) = ε₀,ε(t₀) = ε₀,h(t₀) = h₀,λ(t₀) = λ₀,ϕ(t₀) = ϕ₀ (7)

Определены функционалы оптимальности управления:

 (8)

 (9)

имеющие смысл максимальной температуры и суммарного теплового потока соответственно. Здесь t ̂  – длительность полета; D_u={u(τ)} – множество допустимых управлений. 

Задача состоит в определении допустимого управления u* (τ) ∈ D_u, удовлетворяющего на решениях системы (1) условиям (8), (9). 

Задача (1) - (9) представляет собой двухкритериальную задачу оптимального управления [11]. 

Разобьем интервал [0; t ̂ ] на равные отрезки с узлами τ_i, i ∈ [0:|U|] и будем искать оптимальное управление u*(τ) в классе кусочно-постоянных функций. Обозначим U=(u₁, u₂,…,u_|U|) – (|U|×1) – вектор, где u_i = u(τ_i). Тогда задачи (12), (13) примут вид

 (10)

 (11)

где D_u={u(τ)}, i ∈ [0: |U|].

Таким образом, имеем двухкритериальную задачу оптимизации с критериальными функциями f₁(U), f₂(U), вектором управления U и множеством допустимых значений вектора варьируемых параметров D_u.

В данной работе предложен алгоритм управления КА, обеспечивающий спуск по траектории с отражениями. В предложенном алгоритме варьируются высота условного перицентра Hπ, на которой КА меняет значения γ c 180° на 0°. Выше уровня перицентра γ принимает значение 180°, а ниже высоты условного перицентра γ равен 0°. Так же варьируются углы атаки при спуске и подъёме КА, таким образом, что α принимает при спуске КА значение αс, а при подъеме КА (отражении от атмосферы) становится равным αп. Также варьируется траекторный угол θ входа в верхние слои атмосферы.

Анализ результатов

Результаты моделирования

	Максимальная температура, К	Суммарный тепловой поток, кДж/см2
Оптимизация по f1(U)	3128,95	171120,0
Оптимизация по f2(U)	5073,17	79425,3
Компромиссный вариант	3427,13	89823,8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработаны методы оптимального управления КА при спуске в атмосфере Юпитера, учитывающие специфические особенности динамики полета.

Разработано программное обеспечение, реализующее моделирования спуска КА в атмосфере Юпитера, а также аппроксимацию фронта Парето, функционирующее под управлением операционной системы Windows 7 и выше. При разработке использована интегрированная среда разработки Qt и язык программирования высокого уровня С++.

Математическое моделирование показало, что предложенный алгоритм управления углом крена и углом атаки, обеспечивающий спуск по траектории с отражениями, может обеспечить существенный выигрыш по ряду ключевых параметров при спуске КА в атмосфере Юпитера. Данный алгоритм позволяет значительно снизить значения максимальной температуры и перегрузки.

Имеется возможность минимизации либо максимальной температуры, либо суммарных тепловых потоков, либо компромиссное решение, не являющееся, строго говоря, оптимальным ни по одному из частных критериев оптимальности, однако удовлетворяющее всем требованиям и ограничениям технического, либо иного характера, накладываемым на опорную номинальную траекторию. Использовать такой подход необходимо, когда другие пути нерациональны или невозможны.

Таким образом, опорную траекторию должно выбирать лицо, принимающее решение в соответствии с имеющимися техническими средствами.