本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種考慮太陽光約束的單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化方法及系統(tǒng)，屬于航天器軌道優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域，其中，該方法包括：構(gòu)建任務(wù)星、n顆目標(biāo)衛(wèi)星與太陽之間的約束條件；獲取n顆目標(biāo)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)和第一任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)；采用Lambert變軌策略和粒子群算法對(duì)總速度增量進(jìn)行全局尋優(yōu)，不滿足條件則重新全局尋優(yōu)，反之則向下執(zhí)行局部尋優(yōu)；采用Lambert變軌策略和序列二次規(guī)劃算法對(duì)全局尋優(yōu)后的初始總速度增量進(jìn)行局部優(yōu)化，判斷局部優(yōu)化后的總速度增量是否約束條件，若不滿足，則重新局部尋優(yōu)，反之則局部優(yōu)化后的總速度增量為最優(yōu)速度增量。該方法能夠使任務(wù)星在滿足任務(wù)約束的同時(shí)燃料消耗最小。任務(wù)約束的同時(shí)燃料消耗最小。任務(wù)約束的同時(shí)燃料消耗最小。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種考慮太陽光約束的單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化方法及系統(tǒng)
[0001]本專利技術(shù)涉及航天器軌道優(yōu)化
，特別涉及一種基于粒子群算法和序列二次規(guī)劃算法的太陽光約束下單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化方法及系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
[0002]近年來，隨著低地球軌道(Low Earth orbit,LEO)衛(wèi)星通信領(lǐng)域的迅速發(fā)展，LEO空間目標(biāo)數(shù)量日益增多。其中，發(fā)展最為迅速的是美國SpaceX公司提出的星鏈衛(wèi)星通信星座，該星座衛(wèi)星數(shù)量龐大，占用過多LEO資源，并且很多衛(wèi)星質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，成為空間垃圾，LEO空間安全正遭受極大威脅。為此，利用觀測衛(wèi)星連續(xù)掠飛觀測LEO衛(wèi)星成為空間態(tài)勢感知技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。
[0003]單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測任務(wù)是指一顆任務(wù)星通過多次軌道轉(zhuǎn)移連續(xù)接近n顆目標(biāo)星進(jìn)行掠飛觀測。任務(wù)中通常需要首先確定目標(biāo)星的軌道，確定發(fā)射任務(wù)星的時(shí)間；然后將任務(wù)星送入與目標(biāo)星相近的軌道，作機(jī)動(dòng)變軌連續(xù)接近n顆目標(biāo)星。在掠飛觀測過程中若使觀測衛(wèi)星具有對(duì)目標(biāo)觀測及成像的能力，兩星相對(duì)位置需滿足良好的成像光照角度，因此需要滿足太陽光約束條件。
[0004]單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測任務(wù)可以簡化為帶有基本約束的多段軌跡同時(shí)優(yōu)化問題。傳統(tǒng)的軌跡優(yōu)化方法以每段軌跡的轉(zhuǎn)移時(shí)間作為優(yōu)化變量，以速度增量(燃料消耗)作為優(yōu)化指標(biāo)，通常使用遺傳算法(Genetic Algorithm，GA)或序列二次規(guī)劃算法(sequence quadratic program，SQP)進(jìn)行優(yōu)化求解。在不考慮約束條件下進(jìn)行軌跡優(yōu)化也經(jīng)常使用粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)。
[0005]相關(guān)技術(shù)提出了航天器多約束空間抵近掠飛軌跡優(yōu)化方法主要設(shè)計(jì)了一種綜合多步優(yōu)化和序列二次規(guī)劃的優(yōu)化算法解決多約束下航天器掠飛軌跡優(yōu)化問題，實(shí)現(xiàn)了燃料最省的軌道轉(zhuǎn)移策略，可以作為對(duì)多航天器連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化的參考，但該方案僅針對(duì)單次任務(wù)對(duì)單顆目標(biāo)衛(wèi)星的掠飛觀測，對(duì)于多顆目標(biāo)衛(wèi)星任務(wù)場景，使用該方案需要每次對(duì)掠飛任務(wù)進(jìn)行重新規(guī)劃，觀測效率較低；另外給定任務(wù)星的初始軌道參數(shù)，優(yōu)化得到的是該初始相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的燃料最優(yōu)軌跡，而并非全局的燃料最優(yōu)軌跡。
[0006]傳統(tǒng)軌跡優(yōu)化方法給定任務(wù)星的初始軌道參數(shù)，通常選取與目標(biāo)星相近的軌道面，優(yōu)化得到的軌跡非常容易受到任務(wù)星初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響，不同的任務(wù)衛(wèi)星初始位置會(huì)改變對(duì)目標(biāo)星掠飛觀測的順序和相應(yīng)的軌跡，得到差別很大的燃料消耗結(jié)果，很多情況下得不到理想的的燃料最優(yōu)軌跡。
[0007]傳統(tǒng)軌跡優(yōu)化方法通常使用粒子群算法，PSO是一種啟發(fā)式隨機(jī)優(yōu)化算法，它隨機(jī)生成初始猜測，全局性較好，但其求解器不能求解非線性約束，因此不適用帶有太陽光約束的掠飛觀測任務(wù)；使用序列二次規(guī)劃算法可以求解非線性約束，且具有計(jì)算精度高、收斂速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)初值的選擇比較敏感，通常結(jié)果收斂于初值附近，得到的是局部最優(yōu)的解，并非全局最優(yōu)解。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
[0008]本專利技術(shù)旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
[0009]為此，本專利技術(shù)的一個(gè)目的在于提出一種考慮太陽光約束的單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化方法。
[0010]本專利技術(shù)的另一個(gè)目的在于提出一種考慮太陽光約束的單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化系統(tǒng)。
[0011]本專利技術(shù)的又一個(gè)目的在于提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備。
[0012]本專利技術(shù)的還一個(gè)目的在于提供一種非臨時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。
[0013]為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)一方面實(shí)施例提出了考慮太陽光約束的單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化方法，包括以下步驟：步驟S1，構(gòu)建任務(wù)星、n顆目標(biāo)衛(wèi)星與太陽之間的約束條件；步驟S2，獲取n顆目標(biāo)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)，利用粒子群算法生成第一任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)；步驟S3，采用Lambert變軌策略和粒子群算法對(duì)所述n顆目標(biāo)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)和所述第一任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)進(jìn)行全局尋優(yōu)，判斷全局尋優(yōu)后的初始總速度增量是否滿足第一預(yù)設(shè)迭代終止條件，若不滿足，則迭代執(zhí)行步驟S2優(yōu)化所述第一任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)，反之則執(zhí)行步驟S4；步驟S4，利用序列二次規(guī)劃算法生成第二任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)；步驟S5，采用Lambert變軌策略和序列二次規(guī)劃算法對(duì)所述n顆目標(biāo)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)和所述第二任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)進(jìn)行局部尋優(yōu)，判斷局部優(yōu)化后的總速度增量是否滿足所述約束條件和第二預(yù)設(shè)迭代終止條件，若不滿足，則迭代執(zhí)行步驟S4優(yōu)化所述第二任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)，反之則所述局部優(yōu)化后的總速度增量為最優(yōu)速度增量。
[0014]本專利技術(shù)實(shí)施例的考慮太陽光約束的單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化方法，采用Lambert變軌策略，將1對(duì)n顆衛(wèi)星連續(xù)掠飛觀測任務(wù)轉(zhuǎn)化為軌跡優(yōu)化問題，建立約束條件下以任務(wù)星的燃料消耗為性能指標(biāo)的優(yōu)化模型，優(yōu)化變量為任務(wù)星每次軌道轉(zhuǎn)移的時(shí)間和初始軌道參數(shù)，優(yōu)化指標(biāo)為任務(wù)星完成任務(wù)所需總速度增量(燃料消耗)，使用PSO
?
SQP混合優(yōu)化算法求解該優(yōu)化問題得到完成觀測任務(wù)的最少速度增量(燃料消耗)，能夠使任務(wù)星在滿足任務(wù)約束的同時(shí)燃料消耗最小。
[0015]另外，根據(jù)本專利技術(shù)上述實(shí)施例的考慮太陽光約束的單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化方法還可以具有以下附加的技術(shù)特征：
[0016]進(jìn)一步地，在本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S1具體過程為：
[0017]定義A為任務(wù)星、B為n顆目標(biāo)衛(wèi)星中的任一顆和C為太陽，將所述任務(wù)星A對(duì)所述目標(biāo)衛(wèi)星B的觀測時(shí)段內(nèi)的掠飛軌跡近似為直線所述任務(wù)星A的位置太陽矢量為α為與夾角，θ為任務(wù)星掃描視場的圓錐角，所述約束條件為：
[0018][0019]進(jìn)一步地，在本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S3具體包括：
[0020]步驟S301，采用Lambert變軌策略將任務(wù)星對(duì)n顆目標(biāo)衛(wèi)星連續(xù)掠飛觀測，獲得第一任務(wù)星轉(zhuǎn)移時(shí)間；步驟S302，根據(jù)所述n顆目標(biāo)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)和所述第一任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)確定第一訪問順序；步驟S303，通過粒子群算法分析所述第一訪問順序，生成第一任務(wù)星轉(zhuǎn)移時(shí)間；步驟S304，根據(jù)粒子群算法和所述第一任務(wù)星轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)總速度增量
進(jìn)行全局尋優(yōu)，判斷所述全局尋優(yōu)后的初始總速度增量是否滿足所述第一預(yù)設(shè)迭代終止條件，若不滿足，則迭代執(zhí)行步驟S2優(yōu)化所述第一任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)，反之則執(zhí)行步驟S4，其中，所述第一預(yù)設(shè)迭代終止條件為預(yù)設(shè)最大迭代次數(shù)或者粒子群算法當(dāng)前為止搜尋到的最優(yōu)位置滿足目標(biāo)函數(shù)的最小容許誤差。
[0021]進(jìn)一步地，在本專利技術(shù)的一個(gè)實(shí)施例中，所述步驟S5具體包括：步驟S501，采用Lambert變軌策略再次將任務(wù)星對(duì)n顆目標(biāo)衛(wèi)星連續(xù)掠飛觀測，獲得第二任務(wù)星轉(zhuǎn)移時(shí)間；步驟S502，根據(jù)所述n顆目標(biāo)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)和所述第二任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)確定第二訪問順序；步驟S503，通過粒子群算法分析所述第二訪問順序，生成第二任務(wù)星轉(zhuǎn)移時(shí)間；步驟S504，根據(jù)序列二次規(guī)劃算法和所述第二任務(wù)星轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)所述全局尋優(yōu)后的初始總速度增量進(jìn)行局部優(yōu)化，判斷本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
1.一種考慮太陽光約束的單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟S1，構(gòu)建任務(wù)星、n顆目標(biāo)衛(wèi)星與太陽之間的約束條件；步驟S2，獲取n顆目標(biāo)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)，利用粒子群算法生成第一任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)；步驟S3，采用Lambert變軌策略和粒子群算法對(duì)所述n顆目標(biāo)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)和所述第一任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)進(jìn)行全局尋優(yōu)，判斷全局尋優(yōu)后的初始總速度增量是否滿足第一預(yù)設(shè)迭代終止條件，若不滿足，則迭代執(zhí)行步驟S2優(yōu)化所述第一任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)，反之則執(zhí)行步驟S4；步驟S4，利用序列二次規(guī)劃算法生成第二任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)；步驟S5，采用Lambert變軌策略和序列二次規(guī)劃算法對(duì)所述n顆目標(biāo)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)和所述第二任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)進(jìn)行局部尋優(yōu)，判斷局部優(yōu)化后的總速度增量是否滿足所述約束條件和第二預(yù)設(shè)迭代終止條件，若不滿足，則迭代執(zhí)行步驟S4優(yōu)化所述第二任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)，反之則所述局部優(yōu)化后的總速度增量為最優(yōu)速度增量。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮太陽光約束的單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟S1具體過程為：定義A為任務(wù)星、B為n顆目標(biāo)衛(wèi)星中的任一顆和C為太陽，將所述任務(wù)星A對(duì)所述目標(biāo)衛(wèi)星B的觀測時(shí)段內(nèi)的掠飛軌跡近似為直線所述任務(wù)星A的位置太陽矢量為α為與夾角，θ為任務(wù)星掃描視場的圓錐角，所述約束條件為：3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮太陽光約束的單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括：步驟S301，采用Lambert變軌策略將任務(wù)星對(duì)n顆目標(biāo)衛(wèi)星連續(xù)掠飛觀測，獲得第一任務(wù)星轉(zhuǎn)移時(shí)間；步驟S302，根據(jù)所述n顆目標(biāo)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)和所述第一任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)確定第一訪問順序；步驟S303，通過粒子群算法分析所述第一訪問順序，生成第一任務(wù)星轉(zhuǎn)移時(shí)間；步驟S304，根據(jù)粒子群算法和所述第一任務(wù)星轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)總速度增量進(jìn)行全局尋優(yōu)，判斷所述全局尋優(yōu)后的初始總速度增量是否滿足所述第一預(yù)設(shè)迭代終止條件，若不滿足，則迭代執(zhí)行步驟S2優(yōu)化所述第一任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)，反之則執(zhí)行步驟S4，其中，所述第一預(yù)設(shè)迭代終止條件為預(yù)設(shè)最大迭代次數(shù)或者粒子群算法當(dāng)前為止搜尋到的最優(yōu)位置滿足目標(biāo)函數(shù)的最小容許誤差。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮太陽光約束的單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化方法，其特征在于，所述步驟S5具體包括：步驟S501，采用Lambert變軌策略再次將任務(wù)星對(duì)n顆目標(biāo)衛(wèi)星連續(xù)掠飛觀測，獲得第二任務(wù)星轉(zhuǎn)移時(shí)間；步驟S502，根據(jù)所述n顆目標(biāo)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)和所述第二任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)確
定第二訪問順序；步驟S503，通過粒子群算法分析所述第二訪問順序，生成第二任務(wù)星轉(zhuǎn)移時(shí)間；步驟S504，根據(jù)序列二次規(guī)劃算法和所述第二任務(wù)星轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)所述全局尋優(yōu)后的初始總速度增量進(jìn)行局部優(yōu)化，判斷所述局部優(yōu)化后的總速度增量是否滿足所述約束條件和所述第二預(yù)設(shè)迭代終止條件，若不滿足，則迭代執(zhí)行步驟S4優(yōu)化所述第二任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)，反之則所述局部優(yōu)化后的總速度增量為最優(yōu)速度增量，其中，所述第二預(yù)設(shè)迭代終止條件為達(dá)到預(yù)設(shè)最大迭代次數(shù)或者序列二次規(guī)劃算法目前為止搜尋到的最優(yōu)位置滿足目標(biāo)函數(shù)的最小容許誤差。5.一種考慮太陽光約束的單對(duì)多星連續(xù)掠飛觀測軌跡優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，包括：約束條件模塊，用于構(gòu)建任務(wù)星、n顆目標(biāo)衛(wèi)星與太陽之間的約束條件；第一參數(shù)獲取模塊，用于獲取n顆目標(biāo)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)，利用粒子群算法生成第一任務(wù)衛(wèi)星初始軌道參數(shù)；全局尋優(yōu)模塊，用于采用Lambert變軌策略和粒子群算法對(duì)所述n顆目標(biāo)衛(wèi)星初始...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：葉東，張豪，張慶澤，尹龍遜，張劍橋，肖巖，
申請(專利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
還沒有人留言評(píng)論。發(fā)表了對(duì)其他瀏覽者有用的留言會(huì)獲得科技券。