衛(wèi)星編隊重構方法
【專利摘要】一種衛(wèi)星編隊重構方法，其調整編隊中衛(wèi)星轉移軌跡的主要步驟包括：確定編隊重構過程中各衛(wèi)星的起始位置和終止位置；針對衛(wèi)星到達終止位置時的不同狀態(tài)利用偽譜算法形成對應的轉移軌道；形成軌道對應的衛(wèi)星微推力器的燃料消耗控制信號；通過離散粒子群算法過濾會發(fā)生碰撞的轉移軌道；根據(jù)約束條件，建立重構過程中的各衛(wèi)星變軌轉移策略；形成重構過程中衛(wèi)星變軌時燃料消耗的控制信號策略。本發(fā)明形成隊隊中衛(wèi)星轉移軌道的雙層規(guī)劃，計算出編隊重構中各衛(wèi)星微推力器的燃料最優(yōu)目標值，進而形成最終的重構軌跡方案。
【專利說明】衛(wèi)星編隊重構方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星矢量推力控制方法，特別是涉及一種用于多個衛(wèi)星矢量推力 控制方法。

【背景技術】
[0002] 微小衛(wèi)星編隊飛行不同于幾顆衛(wèi)星組成的固定星座飛行，每顆衛(wèi)星都是一個完整 功能的有機組成。因任務步驟、技術性能參數(shù)等的變化，需要進行編隊形態(tài)的重構。由于編 隊飛行的衛(wèi)星在功能和控制上是一個有機整體，從原有編隊構型變換為另一種新的編隊構 型，各個編隊衛(wèi)星的控制必須相互協(xié)調，才能實現(xiàn)編隊的整體功能。
[0003] 構形重構的底層控制方法可以分為兩類：基于沖量控制和基于連續(xù)微推力（連續(xù) 微推力或多沖量）控制。其中，基于連續(xù)小推力的控制具有穩(wěn)定、精度高等諸多優(yōu)點，目前 微推力器越來越多的應用于航天器控制中。基于連續(xù)微推力的編隊重構，首先規(guī)劃或計算 出優(yōu)化的相對運動轉移軌跡，然后用跟蹤控制方法實現(xiàn)轉移過程。編隊重構不僅要每顆衛(wèi) 星完成相應的軌道轉移，還需要考慮編隊中衛(wèi)星之間的協(xié)同運動，受現(xiàn)有控制技術的局限， 還不能做到可靠協(xié)同，進而滿足重構過程中的整體性性能指標約束。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種衛(wèi)星編隊重構方法，解決衛(wèi)星編隊重構過程中，衛(wèi)星由 起點至終點軌道設定控制不能可靠協(xié)同的技術問題。
[0005] 本發(fā)明的衛(wèi)星編隊重構方法，其調整編隊中衛(wèi)星轉移軌跡的主要步驟包括：
[0006] 確定編隊重構過程中各衛(wèi)星的起始位置和終止位置；
[0007] 針對衛(wèi)星到達終止位置時的不同狀態(tài)利用偽譜算法形成對應的轉移軌道；
[0008] 形成軌道對應的衛(wèi)星微推力器的燃料消耗控制信號；
[0009] 通過離散粒子群算法過濾會發(fā)生碰撞的轉移軌道；
[0010] 根據(jù)約束條件，建立重構過程中的各衛(wèi)星變軌轉移策略；
[0011] 形成重構過程中衛(wèi)星變軌時燃料消耗的控制信號策略。
[0012] 所述起始位置和終止位置的確定步驟包括：
[0013] 步驟1:生成起點集和終點集。對衛(wèi)星和星位進行編號,衛(wèi)星編號i,i= 1，M*,!!!, 星位編號j，j= 1，…，n,m彡η,將衛(wèi)星i的位置和速度放置于起點集第i位,將星位j所 需的位置和速度放置于終點集第j位。
[0014] 所述離散粒子群算法的步驟包括：
[0015] 步驟2:設置粒子群參數(shù)。粒子維數(shù)Dim設定為3m+3,粒子規(guī)模xSize、最大迭代 次數(shù)Maxlt、慣性權重w、加速度常數(shù)C1和C2可以根據(jù)需要而定；
[0016] 步驟3 :粒子群初始化時，粒子群初始化時，隨機生成1?η的自然數(shù)排列。第i位 的自然數(shù)j表示衛(wèi)星i將分配到星位j，將排列的前m位賦值給粒子群中粒子的前m位，表 示位置，這樣每個粒子中都含有重構方案信息；粒子的m+1?2m位為隨機生成1?m的自 然數(shù)排列，表示速度；粒子的2m+l?3m位為最優(yōu)位置；粒子的第3m+l位是最優(yōu)適應度值； 粒子的第3m+2位是當前適應度值，也就是能量消耗值；粒子的第3m+3位為布爾型變量，當 重構方案中任意兩顆星之間的距離小于最小距離時，將該位置〇,否則該位為1 ;
[0017] 步驟4:讀取粒子中的位置信息，應用偽譜法計算方案的能量消耗并計算方案中 任意兩顆星之間的距離，如果任意兩顆星之間的距離小于最小距離，則終止運算并將粒子 最后一位置〇 ;否則，計算得出該方案的能量消耗賦值給粒子的倒數(shù)第二位；
[0018] 步驟5 :更新位置和速度，判斷是否滿足迭代條件，若滿足，則終止；若不滿足，則 繼續(xù)迭代；
[0019] 步驟6 :迭代結束后，刪除標識符置0的粒子；
[0020] 步驟7 :選出最優(yōu)個體和最優(yōu)值。最優(yōu)個體即為衛(wèi)星與相位的最佳分配方案，最優(yōu) 值即為最小能量消耗值。
[0021] 本發(fā)明的衛(wèi)星編隊重構方法形成隊隊中衛(wèi)星轉移軌道的雙層規(guī)劃，首先對單一微 推力器的矢量控制信號進行優(yōu)化，為編隊中的每顆衛(wèi)星生成從指定起點到指定終點的多條 燃料最優(yōu)策略或移動近優(yōu)軌道，以較少控制節(jié)點即可獲得較高的轉移精度，然后，通過各衛(wèi) 星的轉移軌道和燃料最優(yōu)策略，計算出編隊重構中各衛(wèi)星微推力器的燃料最優(yōu)目標值，進 而形成最終的重構軌跡方案。
[0022] 下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作進一步說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明衛(wèi)星編隊重構方法中用于編隊中衛(wèi)星間協(xié)同的改進離散粒子群算 法進行數(shù)據(jù)處理時粒子排布及結構示意圖。

【具體實施方式】
[0024] 本實施例中，基于衛(wèi)星編隊重構不僅要使每顆衛(wèi)星完成相應的軌道轉移過程，還 需要考慮編隊衛(wèi)星之間的協(xié)同運動，針對不同重構軌跡的衛(wèi)星末狀態(tài)存在確定和不確定的 情況，對編隊中各衛(wèi)星的轉移軌道和對應微推力器的燃料消耗策略，分別從衛(wèi)星路徑層和 衛(wèi)星協(xié)同方案層進行控制信號優(yōu)化，實現(xiàn)能量消耗最省的重構方案。首先，由改進的離散粒 子群算法負責生成重構過程中各衛(wèi)星的軌跡方案，然后，由偽譜法計算每種軌跡方案中的 各衛(wèi)星對應微推力器的能耗量計算，最后，由改進的離散粒子群算法確定無碰撞的最優(yōu)重 構過程轉移軌道方案。
[0025] 通過（高斯）偽譜算法完成單個航天器的軌跡優(yōu)化，將隨時間連續(xù)變化的狀態(tài)量 和控制量在有限的時間點進行離散，用離散點上Lagrange插值多項式近似表達狀態(tài)量和 控制量函數(shù)，再利用Gauss數(shù)值積分將積分約束轉化為代數(shù)求和約束，最終將最優(yōu)控制問 題轉化為NLP問題來求解，利用偽譜算法好的特性獲得單個航天器的若干個燃料最優(yōu)策略 或移動近優(yōu)軌道。
[0026] 通過改進粒子群算法進行重構路徑規(guī)劃，過濾存在碰撞的衛(wèi)星重構軌跡，形成多 個近優(yōu)方案，并根據(jù)編隊約束條件選出最優(yōu)重構方案。
[0027] 對離散粒子群算法進行如下改進：
[0028] 粒子的位置：隨機生成不超過m的互不相同的自然數(shù)序列表示位置X= (Xl，X2，… ，Xm)，1彡i彡m，1彡Xi彡m，代表一種方案，Xi表示在該方案中衛(wèi)星Xi對應于星位i;
[0029] 粒子的速度：隨機生成不超過m的互不相同的自然數(shù)序列表示速度V= (Vl，V2，… ，vm)，1彡i彡m，1彡Vi彡m，代表一個交換序列，Vi的值對應交換對象的位置。以V= (2, 6, 3, 5, 4, 1)為例，它代表的變換過程為：
[0030]①Vi= 2,表示X1和X2交換；
[0031] ②V2 = 6,表示X2和X6交換；
[0032] ③V3 = 3,表示X3和X3交換，即不交換；
[0033] ④V4 =5,表示X4和X5交換；
[0034] ⑤V5 = 4,表示X5和X4交換；
[0035]⑥V6 = 1，表示X6和X1交換；
[0036] 此時V代表了一個6次的交換過程。
[0037] 位置與速度的加法運算規(guī)則：位置與速度相加得到一個新的位置，JT=JT?F

【權利要求】
1. 一種衛(wèi)星編隊重構方法，其調整編隊中衛(wèi)星轉移軌跡的主要步驟包括： 確定編隊重構過程中各衛(wèi)星的起始位置和終止位置； 針對衛(wèi)星到達終止位置時的不同狀態(tài)利用偽譜算法形成對應的轉移軌道； 形成軌道對應的衛(wèi)星微推力器的燃料消耗控制信號； 通過離散粒子群算法過濾會發(fā)生碰撞的轉移軌道； 根據(jù)約束條件，建立重構過程中的各衛(wèi)星變軌轉移策略； 形成重構過程中衛(wèi)星變軌時燃料消耗的控制信號策略。
2. 根據(jù)權利要求1所述的衛(wèi)星編隊重構方法，其特征在于：所述起始位置和終止位置 的確定步驟包括： 步驟1 :生成起點集和終點集，對衛(wèi)星和星位進行編號，衛(wèi)星編號i，i = 1，···，!!!，星位 編號j，j = 1，…，n，m < n，將衛(wèi)星i的位置和速度放置于起點集第i位，將星位j所需的 位置和速度放置于終點集第j位。
3. 根據(jù)權利要求2所述的衛(wèi)星編隊重構方法，其特征在于：所述離散粒子群算法的步 驟包括： 步驟2 :設置粒子群參數(shù)，粒子維數(shù)Dim設定為3m+3,粒子規(guī)模xSize、最大迭代次數(shù) Maxlt、慣性權重w、加速度常數(shù)C1和C2可以根據(jù)需要而定； 步驟3 :粒子群初始化，粒子群初始化時，隨機生成1?η的自然數(shù)排列，第i位的自 然數(shù)j表示衛(wèi)星i將分配到星位j，將排列的前m位賦值給粒子群中粒子的前m位，表示位 置，這樣每個粒子中都含有重構方案信息；粒子的m+1?2m位為隨機生成1?m的自然數(shù) 排列，表示速度；粒子的2m+l?3m位為最優(yōu)位置；粒子的第3m+l位是最優(yōu)適應度值；粒子 的第3m+2位是當前適應度值，也就是能量消耗值；粒子的第3m+3位為布爾型變量，當重構 方案中任意兩顆星之間的距離小于最小距離時，將該位置〇,否則該位為1 ; 步驟4:讀取粒子中的位置信息，應用偽譜法計算方案的能量消耗并計算方案中任意 兩顆星之間的距離，如果任意兩顆星之間的距離小于最小距離，則終止運算并將粒子最后 一位置0 ;否則，計算得出該方案的能量消耗賦值給粒子的倒數(shù)第二位； 步驟5 :更新位置和速度，判斷是否滿足迭代條件，若滿足，則終止；若不滿足，則繼續(xù) 迭代； 步驟6 :迭代結束后，刪除標識符置0的粒子； 步驟7 :選出最優(yōu)個體和最優(yōu)值，最優(yōu)個體即為衛(wèi)星與相位的最佳分配方案，最優(yōu)值即 為最小能量消耗值。
【文檔編號】G05D1/10GK104317306SQ201410589892
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權日:2014年10月28日
【發(fā)明者】蔡遠文, 史建偉, 姚靜波, 程龍, 辛朝軍, 張宇, 李巖, 解維奇 申請人:蔡遠文