一种多目标自主交会任务规划方法

技术领域

本发明涉及卫星制导、导航与控制技术，尤其涉及一种高、中、低轨卫星多目标交会任务规划的方法。

背景技术

随着在轨航天器的日益剧增，一个服务卫星能够在指定时间内与多个目标卫星交会，并对其进行在轨服务的任务需求愈加强烈。国内外研究表明,“一对多”的在轨服务方式更具费效比优势，将成为未来在轨服务的主流方式。目前采用地面规划再上注星上的方法，然而该方法耗时长，且受到遥测遥控弧段限制，实时性差。因此如何合理规划与多目标卫星的交会次序，节省时间和燃料消耗是目前需要解决的首要问题。

发明内容

本发明提出了一种多目标自主交会任务规划方法，基于交会总时间及目标卫星轨道建立规划模型和适用于航天器在轨自主进行的最省燃料的两层实时任务规划方法，其中第一层规划用于寻找最优任务序列，第二层规划用于寻找最优的时间分配序列，实现指定时间内最优燃耗的多目标自主交会序列和交会时间规划。

为了达到上述目的，本发明提出了一种多目标自主交会任务规划方法，包含以下步骤：

S1、获取目标卫星轨道，以多目标交会的总时间和燃耗最优为约束条件，建立服务卫星与多目标卫星间交会的规划模型；

S2、对所述规划模型进行两层实时任务规划，分别寻找最优任务序列及寻找最优时间分配序列。

进一步地，所述规划模型为：

find Q＝[q

式中，Q为交会目标和总时间一定下所有需要规划的任务集合；q

进一步地，所述服务卫星在初始轨道的等待时间的计算方法为：

其中，Φ

进一步地，服务卫星与单个目标卫星的交会过程中采用霍曼转移的机动方式；

所述霍曼转移的计算公式为：

式中，a

进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

S2.1、进行服务卫星与各个目标卫星交会任务序列的遍历；

S2.2、采用粗时间间隔对任务序列进行第一层时间序列分配，可得到特定任务序列对应的迭代次数；

S2.3、根据轨道动力学进行速度增量的计算，得到每个交互任务序列关于第一层时间序列分配的收益函数，经过优化选择得到最优任务序列和时间分配序列；

S2.4、采用细时间间隔对所述时间分配序列进行优化，得到第二层时间分配序列的组合方式；

S2.5、根据轨道动力学进行速度增量的计算，得到第二层时间分配序列的各种组合方式的收益函数，对其寻优得到最优时间分配序列。

进一步地，所述步骤S2.1中，服务卫星与各个目标卫星交会任务序列的数目与目标卫星的数目总和级数相关：

Num_1＝N！

其中，N表示目标卫星的个数，Num_1表示服务卫星与各个目标卫星交会任务序列的总数目。

进一步地，所述步骤S2.2中，采用粗时间间隔对任务序列进行第一层时间序列分配，以限制第一层优化的迭代次数；

任务序列中任一任务的迭代次数为：

式中，N

进一步地，所述步骤S2.3中，根据轨道动力学进行速度增量的计算，得到目标遍历序列i(从1至)的第一层时间序列分配j(从1至)的收益函数：

得到最优任务序列i_optimal_1，即最终的目标遍历序列和第一层最优时间分配序列i_optimal_1。

进一步地，所述步骤S2.4中所述采用细时间间隔对所述时间分配序列进行优化的方法，包括以下步骤：基于第一层优化得到最优时间分配序列i_optimal_1，对所述的最优任务序列i_optimal_1采用细时间间隔进行细分优化，细分后的第二层时间分配序列的最大组合方式的数目可表示为：

Num_3＝(N_N+1)

其中，N_N表示第一层的细分刻度对第二层的细分刻度的比例，此时最大组合可表示为：

Num_3＝3

进一步地，所述步骤S2.5中，根据轨道动力学进行速度增量的计算，得到第二层时间分配序列下的各种组合方式组合k(从1至Num_3)的收益函数，并对其进行寻优：

解算得到最优时间分配序列k_optimal。

本发明具有以下优势：

本文提出的方法通过两步寻优算法分别得到指定时间和最优燃耗约束下的最优多目标交会序列及时间分配，减小了卫星在轨的任务规划计算复杂度，提高了实时任务规划的效率，适用于航天器在轨自主进行，具有工程可实现的意义。

附图说明

图1为本发明实施例提出的多目标自主交会任务规划方法的流程示意图。

图2为本发明实施例提供的服务卫星一对多在轨服务的任务示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图1为本发明提出的多目标自主交会任务规划方法的流程图。所述多目标自主交会任务规划方法包含以下步骤：

S1、获取目标卫星轨道，以多目标交会的总时间和燃耗最优为约束条件，建立规划模型。

如图2所示，为本实施例提供的服务卫星一对多在轨服务的任务示意图，其中，初始轨道为服务卫星的在轨运行轨道，服务卫星与多个目标卫星共轨道面。服务卫星通过注入的指令得到与多个目标卫星交会的总时间以及各个目标卫星的轨道信息。

在两个共面且有一个公共焦点的圆轨道间的轨道转移中，霍曼转移是能量最省的双脉冲机动。本发明中，服务卫星与单个目标卫星的交会过程中采用霍曼转移的机动方式进行，以保证全程燃料消耗最少。霍曼转移过渡轨道是一个与两圆在拱线上均相切的椭圆轨道。转移既可以是从内圆到外圆，也可以是外圆到内圆，实现卫星轨道的升高和降低，一次转移的时间为转移轨道周期的一半。

霍曼转移的能量需求由下式计算：

其中，a

由于霍曼转移的实施需满足相位角条件，因此一般情况下服务卫星需要在初始轨道等待一段时间再进行转移交会，服务卫星在初始轨道的等待时间为：

其中，Φ

在轨道转移阶段，将服务卫星的机动目标位置设置在与目标卫星存在一个较小相角差的前方或后方某一点，以该目标位置作为服务任务终点进行在线任务执行序列规划。考虑到如测控区间、光照条件等服务任务约束条件，可以利用规划逼近段的轨道转移路径加以满足。这样做的好处是可以快速求解出最优任务执行序列，满足服务卫星在线任务规划的实时性要求。

基于上述思路，对第i个目标卫星实施在轨服务过程，设分配给该过程的时间为T

T

式中，Tw

若假设对每个目标卫星服务时间均相同，则由上式可知，对某个目标卫星的在轨服务总时间T

对于面内多目标的在轨服务任务规划，以多目标的交会总时间和燃耗最优为约束条件，建立规划模型：

findQ＝[q

式中，Q为交会目标和总时间一定下所有需要规划的任务集合；q

S2、对所述规划模型进行两层实时任务规划，分别用于寻找最优任务序列及寻找最优时间分配序列。

由于星上计算能力的局限，采用有限次的迭代算法进行优化，包括第一层规划和第二层规划。第一层规划用于寻找最优任务序列，第二层规划用于寻找最优的时间分配序列，两层优化相互作用，相互影响。具体包含以下步骤：

S2.1、进行服务卫星与各个目标卫星交会任务序列的遍历；

按照目标卫星的数目进行所有交会任务序列的遍历，服务卫星与各个目标卫星交会任务序列的数目与目标卫星的数目总和级数相关，具体数值可表示：

Num_1＝N！

其中，N表示目标卫星的个数，Num_1表示服务卫星与各个目标卫星交会任务序列的总数目。

S2.2、采用粗时间间隔对任务序列进行第一层时间序列分配，可得到特定任务序列对应的迭代次数；

第一层优化，采用粗时间间隔进行时间序列分配，一般可采用10倍左右的细分，以限制第一层优化的迭代次数。本实施例中，以N

S2.3、根据轨道动力学进行速度增量的计算，得到每个交互任务序列关于第一层时间序列分配的收益函数，经过优化选择得到最优任务序列和时间分配序列；

根据轨道动力学进行速度增量的计算，得到目标遍历序列i(从1至Num_1)的第一层时间序列分配j(从1至Num_2)的收益函数：

得到最优任务序列i_optimal_1，和第一层最优时间分配序列i_optimal_1；所述最优任务序列i_optimal_1其实也是最终的目标遍历序列。

S2.4、采用细时间间隔对所述时间分配序列进行优化，得到第二层时间分配序列的组合方式；

针对上述的最优任务序列i_optimal_1，基于第一层优化得到最优时间分配序列i_optimal_1，采用细时间间隔对其进行更加细分的优化，如采用N_N倍N1的细分等。所述第一层最优时间分配序列中的任意元素最多存在N_N+1种组合方式，则细分后的第二层时间分配序列的最大组合方式的数目Num_3可表示为：

Num_3＝(N_N+1)

其中，N_N表示第一层的细分刻度对第二层的细分刻度的比例，通常采用2倍的二层细分，此时最大组合可表示为：

Num_3＝3

S2.5、根据轨道动力学进行速度增量的计算，得到第二层时间分配序列的各种组合方式的收益函数，对其寻优得到最优时间分配序列。

根据轨道动力学进行速度增量的计算，得到第二层时间分配序列下的各种组合方式组合k(从1至Num_3)的收益函数，并对其进行寻优：

/>

得到最优时间分配序列k_optimal。理论上数值迭代不能得到最优解，但通过合理设计细分比例，在计算量容许的情况下，可以得到可行解。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。