一種圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法，給出了分別適用于周期性相對運(yùn)動和繞飛相對運(yùn)動的優(yōu)化模型，然后采用一定的優(yōu)化算法求解所建立的優(yōu)化模型，得到給定邊界的初始相對狀態(tài)數(shù)值解，并通過仿真驗(yàn)證了該衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法的有效性和可行性，因此，能夠快速精確地確定符合給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)，同時，為具有給定邊界的衛(wèi)星編隊(duì)或集群任務(wù)設(shè)計(jì)與分析奠定了理論基礎(chǔ)。
【專利說明】一種圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于航天器軌道動力學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在衛(wèi)星編隊(duì)或集群飛行的有關(guān)空間科學(xué)任務(wù)中，例如衛(wèi)星編隊(duì)重力場測量、天基合成孔徑雷達(dá)、小行星帶探測等任務(wù)，常常需要兩個以上的衛(wèi)星共同參與并協(xié)同完成任務(wù)。為了保證任務(wù)中的各個衛(wèi)星能夠?qū)崟r感知到其它成員的存在并保持信息的連通，一般要求衛(wèi)星之間的相對距離自然保持在一定范圍內(nèi)。這就引出了有界相對運(yùn)動的概念，即衛(wèi)星星間距離具有確定的上界和下界。
[0003]經(jīng)研究認(rèn)為，衛(wèi)星相對運(yùn)動中的星間距離邊界是由相對運(yùn)動的初始相對狀態(tài)決定的，通過改變衛(wèi)星相對運(yùn)動的初始相對狀態(tài)，可得到具有不同邊界的衛(wèi)星相對運(yùn)動。因此，在進(jìn)行衛(wèi)星編隊(duì)或衛(wèi)星集群設(shè)計(jì)過程中，如何確定出滿足給定邊界條件的初始相對狀態(tài)，屬于重要的設(shè)計(jì)步驟。
[0004]目前，通常采用經(jīng)驗(yàn)嘗試方法，即不斷改變衛(wèi)星初始相對狀態(tài)中的某個狀態(tài)參數(shù)，通過反復(fù)嘗試，并通過仿真驗(yàn)證，才能確定衛(wèi)星初始相對狀態(tài)，可見，該種設(shè)計(jì)方法具有設(shè)計(jì)效率低的問題。如何快速、定量、精確地確定滿足期望星間距離邊界的初始相對狀態(tài)，具有重要意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法，能夠快速精確地確定符合給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明提供一種圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法，所述圓參考軌道是指參考星所在軌道的偏心率為零的軌道；
[0008]包括以下步驟:
[0009]SI，建立用于確定周期性相對運(yùn)動條件下給定邊界的初始相對狀態(tài)的第一類優(yōu)化模型，該第一類優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為:
[0010]rnin J =丨|<: - <lm |f +1<: — d腿 |f ；
[0011]該第一類優(yōu)化模型的約束條件為:
[0012]

【權(quán)利要求】
1.一種圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法，其特征在于，所述圓參考軌道是指參考星所在軌道的偏心率為零的軌道； 包括以下步驟: Si，建立用于確定周期性相對運(yùn)動條件下給定邊界的初始相對狀態(tài)的第一類優(yōu)化模型，該第一類優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為:
該第一類優(yōu)化模型的約束條件為:
其中，J為目標(biāo)函數(shù)； Ci一期望的星間距離上界； d 一期望的星間距離下界；
dm ax 一實(shí)際的星間距離上界； dmin—實(shí)際的星間距離下界； X = [X。，>'。,z0,x0, >'0, Z0 ] 一待求解的跟蹤星初始相對狀態(tài)向量； Xtl+跟蹤星在參考星當(dāng)?shù)剀壍雷鴺?biāo)系下，相對參考星的初始相對位置在X軸上的分量;跟蹤星在參考星當(dāng)?shù)剀壍雷鴺?biāo)系下，相對參考星的初始相對位置在y軸上的分量； Ztl—跟蹤星在參考星當(dāng)?shù)剀壍雷鴺?biāo)系下，相對參考星的初始相對位置在z軸上的分量; i。一跟蹤星在參考星當(dāng)?shù)剀壍雷鴺?biāo)系下，相對參考星的初始相對速度在X軸上的分量; j。一跟蹤星在參考星當(dāng)?shù)剀壍雷鴺?biāo)系下，相對參考星的初始相對速度在y軸上的分量； 4一跟蹤星在參考星當(dāng)?shù)剀壍雷鴺?biāo)系下，相對參考星的初始相對速度在z軸上的分量; η—參考星的軌道角速度，" = 其中，P為地球引力常數(shù)；a為參考星的軌道半長軸，是已知量； ^一參考星的矢徑，由于參考星運(yùn)行在圓軌道上，則= a ; S2,以I =作為設(shè)計(jì)變量，以d:、、n、r0作為已知輸入量,按照一定的優(yōu)化算法對各個設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，最終得到符合期望星間距離上界和期望星間距離下界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法，其特征在于，S2中，所述優(yōu)化算法為遺傳算法和序列二次規(guī)劃法相結(jié)合的混合優(yōu)化算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法，其特征在于，S2具體為:S2.1，對各個設(shè)計(jì)變量分別進(jìn)行編碼，將編碼得到的X = [.V?映射成基因串; S2.2，隨機(jī)產(chǎn)生B個基因串的初始種群；設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)；該適應(yīng)度函數(shù)與SI建立的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以及約束條件相關(guān)； S2.3，使用所述適應(yīng)性函數(shù)對所述初始種群中的每一個個體進(jìn)行評估，得到適應(yīng)度值最低的C個個體；其中，每個個體即是一個基因串； S2.4，對所述C個個體進(jìn)行交叉和變異操作，產(chǎn)生更接近優(yōu)化目標(biāo)的新的個體；從而得到第二代種群； S2.5，使用所述適應(yīng)性函數(shù)對所述第二代種群中的每一個個體進(jìn)行評估，得到適應(yīng)度值最低的C個個體；對所述C個個體進(jìn)行交叉和變異操作，產(chǎn)生更接近優(yōu)化目標(biāo)的新的個體；從而得到第三代種群；依此類推，經(jīng)過多代進(jìn)化，得到最符合所述優(yōu)化目標(biāo)的個體，該個體即是搜索出的最優(yōu)解足= (-vj'u，v4，九，4廣； S2.6,以最優(yōu)解兄“&^^“^廣為初始值，通過序列二次規(guī)劃法迅速收斂得到精確解X。。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法，其特征在于，S2.6具體為: S2.6.1，設(shè)置最大循環(huán)次數(shù)N，還設(shè)置目標(biāo)函數(shù)期望值J = O; S2.6.2,將最優(yōu)解足=(?,J11,代入所述第一類優(yōu)化模型的約束條件,求得本次循環(huán)計(jì)算得到的dmax和dmin值；S2.6.3，將本次循環(huán)計(jì)算得到的dmax和dmin值代入所述第一類優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)，求得本次循環(huán)計(jì)算得到的目標(biāo)函數(shù)實(shí)際值；判斷所述目標(biāo)函數(shù)實(shí)際值是否等于所述目標(biāo)函數(shù)期望值J ;如果等于，則尤=即為最終計(jì)算得到的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)，結(jié)束循環(huán)；如果不等于，則執(zhí)行S2.6.4 ；S2.6.4，判斷循環(huán)次數(shù)是否達(dá)到最大循環(huán)次數(shù)N，如果達(dá)到，則本次循環(huán)得到的^ = [-tO 5 Vti' 2Q ' \ ■> >0 ' 2O ]即為最終計(jì)算得到的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)，結(jié)束循環(huán)；如果未達(dá)到，則分別對前一次循環(huán)使用的I =給予一個偏離度，以偏離后的
作為本次循環(huán)的輸入值，將其代入所述第一類優(yōu)化模型的約束條件，求得本次循環(huán)計(jì)算得到的dmax和dmin值；然后循環(huán)執(zhí)行S2.6.3-S2.6.4。
5.一種圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法，其特征在于，所述圓參考軌道是指參考星所在軌道的偏心率為零的軌道； 包括以下步驟: S10，建立用于確定繞飛相對運(yùn)動條件下給定邊界的初始相對狀態(tài)的第二類優(yōu)化模型，該第二類優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為:
該第二類優(yōu)化模型的約束條件為:
其中，J為目標(biāo)函數(shù)； C一期望的星間距離上界； <￡一期望的星間距離下界； d-—實(shí)際的星間距離上界； dmin—實(shí)際的星間距離下界；
[xO' }!0，2O，>0' ]一待求解的跟蹤星初始相對狀態(tài)向量； Xtl+跟蹤星在參考星當(dāng)?shù)剀壍雷鴺?biāo)系下，相對參考星的初始相對位置在X軸上的分量; 跟蹤星在參考星當(dāng)?shù)剀壍雷鴺?biāo)系下，相對參考星的初始相對位置在y軸上的分量; Ztl—跟蹤星在參考星當(dāng)?shù)剀壍雷鴺?biāo)系下，相對參考星的初始相對位置在Z軸上的分量; i。一跟蹤星在參考星當(dāng)?shù)剀壍雷鴺?biāo)系下，相對參考星的初始相對速度在X軸上的分量； 一跟蹤星在參考星當(dāng)?shù)剀壍雷鴺?biāo)系下，相對參考星的初始相對速度在y軸上的分量； ^ 一跟蹤星在參考星當(dāng)?shù)剀壍雷鴺?biāo)系下，相對參考星的初始相對速度在Z軸上的分量; η—參考星的軌道角速度，n =.其中，μ為地球引力常數(shù)；a為參考星的軌道半長軸，是已知量； ^一參考星的矢徑，由于參考星運(yùn)行在圓軌道上，則= a ; Sll,以χΗ.νΛ.ΑΛ’ΛΛ]作為設(shè)計(jì)變量，以、Ch、n、rQ作為已知輸入量,按照一定的優(yōu)化算法對各個設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，最終得到符合期望星間距離上界和期望星間距離下界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法，其特征在于，Sll中，所述優(yōu)化算法為遺傳算法和序列二次規(guī)劃法相結(jié)合的混合優(yōu)化算法。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法，其特征在于，Sll具體為:Sll.1，對各個設(shè)計(jì)變量分別進(jìn)行編碼，將編碼得到的1 =卜。，知?^*。]映射成基因串; Sll.2，隨機(jī)產(chǎn)生B個基因串的初始種群；設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)；該適應(yīng)度函數(shù)與SlO建立的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以及約束條件相關(guān)； Sll.3，使用所述適應(yīng)性函數(shù)對所述初始種群中的每一個個體進(jìn)行評估，得到適應(yīng)度值最低的C個個體；其中，每個個體即是一個基因串； Sll.4，對所述C個個體進(jìn)行交叉和變異操作，產(chǎn)生更接近優(yōu)化目標(biāo)的新的個體；從而得到第二代種群； SI 1.5，使用所述適應(yīng)性函數(shù)對所述第二代種群中的每一個個體進(jìn)行評估，得到適應(yīng)度值最低的C個個體；對所述C個個體進(jìn)行交叉和變異操作，產(chǎn)生更接近優(yōu)化目標(biāo)的新的個體；從而得到第三代種群；依此類推，經(jīng)過多代進(jìn)化，得到最符合所述優(yōu)化目標(biāo)的個體，該個體即是搜索出的最優(yōu)解足I; Sll.6,以最優(yōu)解尤=CvJlPZlPiipJ^il/為初始值,通過序列二次規(guī)劃法迅速收斂得到精確解X。。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圓參考軌道下給定邊界的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)確定方法，其特征在于，Sll.6具體為: Sll.6.1，設(shè)置最大循環(huán)次數(shù)N，還設(shè)置目標(biāo)函數(shù)期望值J = O ； Sll.6.2，將最優(yōu)解足=(?，7。4，七，代入所述第二類優(yōu)化模型的約束條件，求得本次循環(huán)計(jì)算得到的dmax和dmin值； Sll.6.3，將本次循環(huán)計(jì)算得到的dmax和dmin值代入所述第二類優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)，求得本次循環(huán)計(jì)算得到的目標(biāo)函數(shù)實(shí)際值；判斷所述目標(biāo)函數(shù)實(shí)際值是否等于所述目標(biāo)函數(shù)期望值J ;如果等于，則尤f即為最終計(jì)算得到的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)，結(jié)束循環(huán)；如果不等于，則執(zhí)行Sll.6.4 ； S11.6.4，判斷循環(huán)次數(shù)是否達(dá)到最大循環(huán)次數(shù)N，如果達(dá)到，則本次循環(huán)得到的I = LV)'CP-V^PJ>。，-+。]即為最終計(jì)算得到的衛(wèi)星初始相對狀態(tài)，結(jié)束循環(huán)；如果未達(dá)到，則分別對前一次循環(huán)使用的^^卜。..)',^。，:^^。^。]給予一個偏離度，以偏離后的Χ =作為本次循環(huán)的輸入值，將其代入所述第二類優(yōu)化模型的約束條件，求得本次循環(huán)計(jì)算得到的dmax和dmin值；然后循環(huán)執(zhí)行Sll.6.3-S11.6.4。
【文檔編號】G06N3/12GK104200030SQ201410450128
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】張育林, 王兆魁, 黨朝輝, 張學(xué)陽, 安梅巖, 蔣超, 劉紅衛(wèi), 侯振東, 張斌斌, 程子龍 申請人:清華大學(xué)