一種geo衛(wèi)星群的多對(duì)多在軌加注任務(wù)規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及空間在軌服務(wù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于多個(gè)服務(wù)星和多個(gè)儲(chǔ)油站對(duì)多 個(gè)地球同步軌道衛(wèi)星在軌加注的任務(wù)規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星在軌加注是指對(duì)燃料消耗殆盡處于壽命末期，或燃料提前消耗完畢的衛(wèi)星提 供燃料補(bǔ)給，從而延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命，提高空間任務(wù)能力。地球同步軌道（GE0)衛(wèi)星是一類(lèi)非常 特殊的衛(wèi)星，位于該軌道的衛(wèi)星與地球保持同步，覆蓋面積廣。世界各航天大國(guó)在GE0上部 署了大量衛(wèi)星，根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù)信息，1265顆在軌運(yùn)行的衛(wèi)星中，其中有465顆GE0衛(wèi)星。 GE0衛(wèi)星制造成本和發(fā)射成本都較高，且軌道資源是非常有限。因此，對(duì)GE0衛(wèi)星在軌加注， 延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命具有重大的實(shí)際意義。
[000引多個(gè)GE0衛(wèi)星的在軌加注問(wèn)題（MGSRP)，如果采用單個(gè)服務(wù)星方式，由于服務(wù)星攜 帶燃料的能力是一定的，能夠加注的GE0目標(biāo)數(shù)量有限；如果采用多個(gè)服務(wù)星方式，也存在 類(lèi)似的問(wèn)題；如果采用分布式（P2巧加注，要求每個(gè)衛(wèi)星既可被用作服務(wù)星也可被用作目 標(biāo)星，但目前絕大多數(shù)衛(wèi)星都不具備作為服務(wù)星的能力。對(duì)GE0衛(wèi)星群的在軌加注方式，W 及相應(yīng)的任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題，是一個(gè)亟需解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種GE0衛(wèi)星群的"多對(duì)多"在軌加注任 務(wù)規(guī)劃方法。本發(fā)明采用多個(gè)服務(wù)星和多個(gè)儲(chǔ)油站的方式，完成GE0衛(wèi)星群的在軌加注任 務(wù)。任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題需要解決每個(gè)服務(wù)星對(duì)哪些GE0目標(biāo)加注W及加注次序；服務(wù)星是否回 到儲(chǔ)油站進(jìn)行補(bǔ)給，回到哪個(gè)儲(chǔ)油站等問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明的任務(wù)場(chǎng)景為：GE0目標(biāo)具有不同的軌道傾角，升交點(diǎn)赤經(jīng)和相位，且燃料 需求已知。任務(wù)開(kāi)始前，多個(gè)服務(wù)星和多個(gè)儲(chǔ)油站部署在GE0上，服務(wù)星攜帶燃料的能力有 限。服務(wù)星通過(guò)往返于儲(chǔ)油站和GE0目標(biāo)之間，將燃料從儲(chǔ)油站運(yùn)輸至各GE0目標(biāo)，每個(gè)服 務(wù)星至少為1個(gè)目標(biāo)進(jìn)行在軌加注。每個(gè)GE0目標(biāo)只被服務(wù)一次。任務(wù)完成后，服務(wù)星機(jī) 動(dòng)至初始軌道。多個(gè)GE0衛(wèi)星的在軌加注問(wèn)題（MGSR巧的優(yōu)化目標(biāo)是服務(wù)星軌道機(jī)動(dòng)的燃 料消耗最少。
[0006] 在軌加注任務(wù)過(guò)程中，服務(wù)星有W下五種狀態(tài)：1、停泊在初始GE0上；2、轉(zhuǎn)移至 GE0目標(biāo)；3、為GE0目標(biāo)進(jìn)行加注；4、轉(zhuǎn)移至儲(chǔ)油站；5、從儲(chǔ)油站獲得補(bǔ)給。儲(chǔ)油站有W下 兩種狀態(tài)：1、停泊在初始GE0上；2、為服務(wù)星進(jìn)行加注。MGSRP任務(wù)規(guī)劃需要解決W下問(wèn)題： 每個(gè)服務(wù)星為哪些GE0目標(biāo)加注，W及加注次序；服務(wù)星為每一個(gè)GE0目標(biāo)加注完成后判斷 是否回到儲(chǔ)油站補(bǔ)給，回到哪個(gè)儲(chǔ)油站；每個(gè)服務(wù)星的脈沖速度大小，離開(kāi)儲(chǔ)油站時(shí)攜帶的 燃料質(zhì)量。任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題采用兩層優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化，上層優(yōu)化問(wèn)題采用混合粒子群算法 化PS0)，下層優(yōu)化問(wèn)題采用窮舉法巧巧。
[0007] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[000引一種GEO衛(wèi)星群的"多對(duì)多"在軌加注任務(wù)規(guī)劃方法，具體包括w下步驟：
[000引步驟一：輸入初始參數(shù)：GE0目標(biāo)的軌道傾角、升交點(diǎn)赤經(jīng)和燃料需求，每個(gè)服務(wù) 星的參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)質(zhì)量、攜帶燃料能力、軌道傾角和升交點(diǎn)赤經(jīng)，儲(chǔ)油站的軌道傾角和升 交點(diǎn)赤經(jīng)，假設(shè)服務(wù)星和儲(chǔ)油站的數(shù)量相同，每個(gè)服務(wù)星和其中一個(gè)儲(chǔ)油站軌道根數(shù)相同。
[0010] 步驟二：確定加注方式：服務(wù)星通過(guò)軌道機(jī)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與儲(chǔ)油站的交會(huì)對(duì)接，獲得燃 料的補(bǔ)給；與GE0目標(biāo)交會(huì)對(duì)接后，為其在軌加注；服務(wù)星往返于GE0目標(biāo)和儲(chǔ)油站之間， 運(yùn)送燃料。軌道機(jī)動(dòng)時(shí)，服務(wù)星首先調(diào)整軌道面，然后進(jìn)行軌道面內(nèi)相位的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn) 與儲(chǔ)油站或GE0目標(biāo)的交會(huì)對(duì)接。通過(guò)施加兩次速度脈沖進(jìn)行調(diào)相，調(diào)相速度增量與調(diào)相 時(shí)間稱(chēng)反比。分析表明，當(dāng)調(diào)相時(shí)間超過(guò)一個(gè)月時(shí)，調(diào)相速度增量與調(diào)整軌道面相比可忽略 不計(jì)。因此本發(fā)明中忽略調(diào)相所需的燃料。
[0011] 為形象地說(shuō)明多個(gè)服務(wù)星和多個(gè)儲(chǔ)油站為GE0目標(biāo)群在軌加注的任務(wù)過(guò)程，圖1 給出了一個(gè)例子：1號(hào)服務(wù)星在1號(hào)儲(chǔ)油站得到補(bǔ)給后，進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，與1號(hào)目標(biāo)交會(huì)對(duì) 接后進(jìn)行在軌加注，對(duì)8號(hào)目標(biāo)在軌加注完成后回到1號(hào)儲(chǔ)油站重新得到補(bǔ)給，接著又對(duì)3 號(hào)、6號(hào)目標(biāo)在軌加注；2號(hào)服務(wù)星從2號(hào)儲(chǔ)油站出發(fā)后，依次為2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)目標(biāo)在軌加 注，然后回到某個(gè)儲(chǔ)油站進(jìn)行補(bǔ)給。
[0012] 步驟Ξ:多個(gè)GE0衛(wèi)星的在軌加注任務(wù)規(guī)劃：
[0013]S3. 1定義優(yōu)化變量
[0014] 包括Ξ個(gè)優(yōu)化變量，加注次序X、決策變量S和R
[001 引X=[又1，又2,…，xj，S= [Si,S2,…，Sn]，R=bi,。，…，Tm]
[001引其中，η是GEO目標(biāo)的個(gè)數(shù)，m是服務(wù)星的個(gè)數(shù)；X由整數(shù)組成，XiE{0, 1，2, ...η}且Xi聲X.j;S中的元素滿(mǎn)足s{0, 1, 2, .. .ρ}，其中ρ是儲(chǔ)油站的個(gè)數(shù)，si=0表示對(duì)Xi 號(hào)目標(biāo)加注完成后，繼續(xù)為下一個(gè)目標(biāo)加注，Si= 1表示對(duì)號(hào)目標(biāo)加注完成后，回到1號(hào) 儲(chǔ)油站補(bǔ)給。R表示每一個(gè)服務(wù)星加注的目標(biāo)個(gè)數(shù)，滿(mǎn)足0<r,<n-1，且
[0017]令Xj，Sj表示j號(hào)服務(wù)星的加注次序和決策變量，有[001引X.j=X(rJ1+1:rji+rj)，S.j=S(r.j1+1:rji+rj)
[0019]其中1·。= 0,1《j《m;
[0020]下面舉例對(duì)變量進(jìn)行說(shuō)明，例如X=[3, 5, 2, 7, 1，4, 6]，S= [0, 0, 1，0, 1，0, 2]，R =化4]表示共有7個(gè)GEO目標(biāo)，2個(gè)服務(wù)星和2個(gè)儲(chǔ)油站；有Xi=巧，5, 2]，Si= [0,0, 1]， X2= [7,1,4,6]，Si= [0，！，0, 2]，表示1號(hào)服務(wù)星從1號(hào)儲(chǔ)油站出發(fā)，依次為3號(hào)、5號(hào)、2 號(hào)目標(biāo)加注，最后回到1號(hào)儲(chǔ)油站；2號(hào)服務(wù)星從2號(hào)儲(chǔ)油站出發(fā)后，依次為7號(hào)、1號(hào)目標(biāo) 加注，然后回到1號(hào)儲(chǔ)油站進(jìn)行補(bǔ)給，接著為4號(hào)、6號(hào)目標(biāo)加注，最后回到2號(hào)儲(chǔ)油站；
[0021] S2. 2確定目標(biāo)函數(shù)
[0022] 多個(gè)GE0衛(wèi)星的在軌加注的優(yōu)化指標(biāo)為
[0023]
[0024] 其中巧冷瑪為第j號(hào)服務(wù)星第i次從儲(chǔ)油站出發(fā)時(shí)攜帶的燃料質(zhì)量，N，是第j號(hào) 服務(wù)星從儲(chǔ)油站出發(fā)的次數(shù)。
[00巧]在計(jì)算Μ化el之前要先得到服務(wù)星軌道機(jī)動(dòng)的速度增量，根據(jù)下面的方法計(jì)算；
[0026] 服務(wù)星在調(diào)整軌道面時(shí)，脈沖速度需同時(shí)改變軌道升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω和軌道傾角I; 如果服務(wù)星要從一個(gè)GE0衛(wèi)星（Ii，Ωι)機(jī)動(dòng)至另一個(gè)衛(wèi)星（1,，Ω2)，需要的服務(wù)星軌道機(jī) 動(dòng)的速度增量（即服務(wù)星施加的脈沖速度）為
[0027]
[0028] 其中V是GE0衛(wèi)星的運(yùn)行速度，丫通過(guò)下式得到；
[0029] cos丫 =sinlisinizcos(Ω1_Ω2)+cosIiC〇sl2
[0030] 軌道機(jī)動(dòng)消耗的燃料質(zhì)量為
[0031]
[003引其中m。是服務(wù)星的初始質(zhì)量，包括結(jié)構(gòu)質(zhì)量和燃料質(zhì)量，I,ρ是發(fā)動(dòng)機(jī)比沖，g。是 地球引力加速度；
[0033] 化）根據(jù)X,和S,得到第j號(hào)服務(wù)星每次施加的脈沖速度后，通過(guò)下面的算法計(jì)算 其出發(fā)時(shí)攜帶的總?cè)剂腺|(zhì)量Μ化el，，從而
[0034] 1)將Mfuel嚇始化為0 ;
[003引。找出S,中所有元素大于0的位置，用S表示，并將其擴(kuò)充S= [0,S];
[0036] 3)fori= 1toN
[0037] i)Q=s(i+l)-s(i)，
[0038] U)forj=Qto1
[0039]
[0040]
，否則S不是一個(gè)可 行解，令版ue!i= 10 5,結(jié)束算法；
[00川其中，N是第j號(hào)服務(wù)星回到儲(chǔ)油站的次數(shù)，nwy為服務(wù)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量，心知+,表示第j號(hào)服務(wù)星第i次從儲(chǔ)油站出發(fā)后，回到儲(chǔ)油站所需的速度增量；心公是第j號(hào)服務(wù)星第i 次從儲(chǔ)油站出發(fā)，與第q個(gè)目標(biāo)交會(huì)所需的速度增量，<心?'。為目標(biāo)的燃料需求，C為服務(wù)星 攜帶燃料能力，如果W/W// >C，則說(shuō)明不是一個(gè)可行方案。
[0042] S3. 3設(shè)計(jì)兩層優(yōu)化模型
[0043] 采用兩層優(yōu)化模型，上層優(yōu)化是對(duì)加注次序X和決策變量S的優(yōu)化，下層優(yōu)化是對(duì) 決策變量R的優(yōu)化。優(yōu)化模型如下：
[0044] 上層優(yōu)化：找到最優(yōu)的X= [Xi,而，...，xj和S= [Si,S2, .