一種多星分離參數(shù)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種參數(shù)優(yōu)化方法，具體地，設(shè)及一種多星分離參數(shù)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 從衛(wèi)星星座快速部署、節(jié)約發(fā)射成本的角度考慮，需W-箭多星方式進(jìn)行發(fā)射。目 前，歐美、俄羅斯等航天實(shí)體在實(shí)施一箭多星發(fā)射時(shí)，往往借助具備多次點(diǎn)火功能的上面 級。通常情況下，衛(wèi)星部署時(shí)間較長，對測控弧段要求較高。相比之下，我國目前的運(yùn)載火 箭缺乏具備多次點(diǎn)火功能的上面級，測控弧段受到限制，在星箭分離后短期內(nèi)（一般取3倍 衛(wèi)星軌道周期），衛(wèi)星無法立即機(jī)動(dòng)變軌，多顆衛(wèi)星、載荷艙、火箭末級等飛行體彼此相對速 度較小，相對距離呈"遠(yuǎn)離一接近一遠(yuǎn)離"的振蕩變化趨勢。
[0003] 在星箭分離程序設(shè)計(jì)（包括各動(dòng)作時(shí)序、調(diào)姿角度、分離力選取等內(nèi)容）時(shí)，一般 需要進(jìn)行3倍衛(wèi)星軌道周期的數(shù)值仿真，才能求出飛行體彼此接近的最小相對距離，且該 距離與設(shè)計(jì)參數(shù)并非線性關(guān)系。倘若設(shè)計(jì)人員對飛行體相對距離變化趨勢的原因W及與特 定設(shè)計(jì)變量的內(nèi)在聯(lián)系認(rèn)識(shí)不夠充分、分離程序設(shè)計(jì)不合理，將導(dǎo)致設(shè)計(jì)分析過程緩慢，且 部分飛行體之間的相對距離無法快速拉開，甚至存在發(fā)生碰撞的危險(xiǎn)。采用試算的方式湊 出"比較合適"設(shè)計(jì)方案，將導(dǎo)致多星分離程序設(shè)計(jì)不夠合理快捷、容易出現(xiàn)顧此失彼的情 況。
[0004] 為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案短期安全性，常采用平方和根法進(jìn)行干擾分析：將主要參數(shù)的正 負(fù)干擾項(xiàng)逐項(xiàng)代入仿真，與標(biāo)稱情況相對距離對比，得到各正負(fù)干擾項(xiàng)對應(yīng)的相對距離偏 差，再將偏差值按正、負(fù)分開（若同類干擾項(xiàng)的正負(fù)干擾所對應(yīng)的偏差值同號(hào)，則取絕對值 較大者），然后計(jì)算平方和開根號(hào)得到統(tǒng)計(jì)值?？紤]其它干擾及不確定偏差，取一定的安全 系數(shù)后，得到最終相對距離偏差范圍。若飛行體數(shù)目多，干擾因素增多，采用該方法分析，貝U 得出的偏差范圍較大，偏于保守，甚至出現(xiàn)負(fù)偏差超過標(biāo)稱值的情況。
[0005] 采用上述常規(guī)設(shè)計(jì)和分析方法進(jìn)行多星分離設(shè)計(jì)，不易得到最優(yōu)值，效率低，且設(shè) 計(jì)結(jié)果過于保守，僅適用于飛行體數(shù)目少，標(biāo)稱情況下飛行體之間相對距離較大的情形。對 于衛(wèi)星數(shù)目較多的情況，常規(guī)設(shè)計(jì)、分析方法的缺點(diǎn)更為突出。因此，需要采取一種更為高 效、可信的設(shè)計(jì)、分析方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種多星分離參數(shù)優(yōu)化方法。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明提供的一種多星分離參數(shù)優(yōu)化方法，包括：
[0008] 步驟1，根據(jù)多星分離主要目標(biāo)要求確定等效目標(biāo)函數(shù)及參數(shù)集合，所述參數(shù)集合 中包含若干個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，所述目標(biāo)函數(shù)能間接反映n個(gè)待優(yōu)化飛行體之間的最小相對距離 的大小和整體的安全性；
[0009] 步驟2,根據(jù)所述目標(biāo)函數(shù)對所述參數(shù)集合進(jìn)行敏感度分析，獲得一個(gè)由關(guān)鍵參數(shù) 組成的關(guān)鍵參數(shù)集合，所述關(guān)鍵參數(shù)為敏感度大于預(yù)設(shè)闊值的所述設(shè)計(jì)參數(shù)；
[0010] 步驟3,根據(jù)所述目標(biāo)函數(shù)計(jì)算所述關(guān)鍵參數(shù)集合的最優(yōu)解；
[0011] 步驟4,根據(jù)所述關(guān)鍵參數(shù)集合進(jìn)行包含所有飛行體的軌道仿真試驗(yàn)，根據(jù)所有飛 行體彼此接近時(shí)的最小距離仿真結(jié)果篩選出易碰撞飛行體組合，所述易碰撞飛行體組合中 某飛行體逼近衛(wèi)星至其警戒邊界范圍內(nèi)；
[0012] 步驟5,對所述關(guān)鍵參數(shù)集合最優(yōu)解施加特定概率分布的干擾，進(jìn)行蒙特卡洛仿真 試驗(yàn)，計(jì)算所述易碰撞飛行體組合中各顆衛(wèi)星的警戒和碰撞概率，
[0013] 若所述警戒或碰撞概率大于或等于各自的預(yù)設(shè)最大值，則調(diào)整所述目標(biāo)函數(shù)中的 加權(quán)系數(shù)后返回步驟3，
[0014] 若所述警戒和碰撞概率小于各自的預(yù)設(shè)最大值，則輸出所述警戒和碰撞概率和對 應(yīng)的所述關(guān)鍵參數(shù)集合最優(yōu)解。
[0015] 作為一種優(yōu)化方案，所述步驟1中所述多星分離主要的目標(biāo)要求為：各衛(wèi)星運(yùn)行 過程中與自身W外的飛行體之間彼此接近過程中的最小距離大于預(yù)設(shè)的碰撞邊界，或衛(wèi)星 的警戒和碰撞概率小于各自的預(yù)設(shè)最大值；
[0016] 為綜合考慮多個(gè)飛行體尤其是多顆衛(wèi)星的安全性，將n個(gè)所述待優(yōu)化飛行體兩兩 組合獲得巧個(gè)半長軸偏差，該個(gè)半長軸偏差絕對值加權(quán)之和作為所述等效目標(biāo)函數(shù)，其 中含衛(wèi)星的兩兩組合加權(quán)系數(shù)初始值可均設(shè)為1，不需關(guān)屯、的飛行體組合的加權(quán)系數(shù)可設(shè) 為0。
[0017] 作為一種優(yōu)化方案，所述參數(shù)集合中的設(shè)計(jì)參數(shù)包含分離力矢量#和分離姿態(tài)角 齡.，丫。,、星箭分離時(shí)刻、火箭末級剩余推進(jìn)劑排放閥開啟時(shí)刻W及對應(yīng)的排放姿態(tài) 角。
[0018] 作為一種優(yōu)化方案，所述關(guān)鍵參數(shù)主要包括分離力矢量羅和分離姿態(tài)角巧、， Tex。
[0019] 作為一種優(yōu)化方案，步驟2所述敏感度分析步驟：通過對所述參數(shù)集合進(jìn)行逐項(xiàng) 攝動(dòng)，近似計(jì)算等效目標(biāo)函數(shù)對各設(shè)計(jì)參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)，作為所述敏感度，所述敏感度大于所 述預(yù)設(shè)闊值的參數(shù)為所述關(guān)鍵參數(shù)。
[0020] 作為一種優(yōu)化方案，所述調(diào)整所述目標(biāo)函數(shù)后返回步驟3進(jìn)一步為：針對步驟4中 最小距離小于或等于碰撞邊界的易碰撞飛行體組合，或者步驟5中警戒或碰撞概率大于或 等于各自的預(yù)設(shè)最大值的易碰撞飛行體組合，將所述目標(biāo)函數(shù)中與所述易碰撞飛行體組合 相關(guān)加權(quán)系數(shù)按照預(yù)設(shè)規(guī)則放大后獲得新的目標(biāo)函數(shù)，W所述新的目標(biāo)函數(shù)返回步驟3。
[0021] 作為一種優(yōu)化方案，所述步驟3進(jìn)一步為，通過尋優(yōu)算法獲得所述關(guān)鍵參數(shù)集合 最優(yōu)解使得所述目標(biāo)函數(shù)獲得最大值。
[0022] 作為一種優(yōu)化方案，所述步驟3還包括：對所述多參數(shù)優(yōu)化問題設(shè)置約束條件，所 述約束條件為火箭末級的剩余推進(jìn)劑的排放距離和排放角度均需要滿足預(yù)設(shè)范圍。
[0023] 作為一種優(yōu)化方案，所述步驟5進(jìn)一步為：對關(guān)鍵參數(shù)集合施加W所述關(guān)鍵參數(shù) 集合最優(yōu)解為數(shù)學(xué)期望值、符合特定分布概率的隨機(jī)干擾，進(jìn)行蒙特卡洛仿真試驗(yàn)，并計(jì)算 所述易碰撞飛行體組合中各顆衛(wèi)星的警戒和碰撞概率。
[0024] 本發(fā)明通過第一、二步借助確定等效目標(biāo)函數(shù)和敏感度分析，更易建立直接目標(biāo) 要求與各設(shè)計(jì)參數(shù)之間的明確關(guān)系，還便于第=步快速找到關(guān)鍵參數(shù)集合的最優(yōu)解。通過 第四步對需要重點(diǎn)關(guān)注的易碰撞飛行體組合的篩選，減輕了后續(xù)干擾分析的工作量。第五 步干擾分析放棄了僅考慮極限情況的平方和根法，用蒙特卡洛法得出的衛(wèi)星警戒和碰撞概 率分布更符合真實(shí)情況，相應(yīng)的警戒和碰撞概率便于對衛(wèi)星短期在軌安全性作定量描述。 本發(fā)明可W使得衛(wèi)星短期安全性得到明顯改善。
【附圖說明】
[0025] 通過閱讀參照W下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0026] 圖1是可選實(shí)施例中的一種多星分離參數(shù)優(yōu)化方法流程示意圖。
[0027] 圖2是飛行體軌道周期差異與軌道相位差關(guān)系示意圖。
[0028] 圖3是可選實(shí)施例中的相對距離變化趨勢示意圖。
[0029] 圖4是采用本發(fā)明前后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖W具體實(shí)施例的方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。W下實(shí)施例將有助于 本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不W任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可W做出若干變形和改進(jìn)。運(yùn)些 都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0031] 一種多星分離參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，包括
[0032] 步驟1，根據(jù)多星分離主要目標(biāo)要求確定等效目標(biāo)函數(shù)及參數(shù)集