[發明專利]一種圓參考軌道下給定邊界的衛星初始相對狀態確定方法

有效

• 申請號: 201410450128.8
• 申請日: 2014-09-05
• 公開（公告）號: CN104200030B
• 公開（公告）日: 2017-03-29
• 發明（設計）人: 張育林;王兆魁;黨朝輝;張學陽;安梅巖;蔣超;劉紅衛;侯振東;張斌斌;程子龍
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06N3/12
• 代理公司: 北京市盛峰律師事務所11337
• 代理人: 席小東

技術領域

本發明屬于航天器軌道動力學技術領域，具體涉及一種圓參考軌道下給定邊界的衛星初始相對狀態確定方法。

背景技術

在衛星編隊或集群飛行的有關空間科學任務中，例如衛星編隊重力場測量、天基合成孔徑雷達、小行星帶探測等任務，常常需要兩個以上的衛星共同參與并協同完成任務。為了保證任務中的各個衛星能夠實時感知到其它成員的存在并保持信息的連通，一般要求衛星之間的相對距離自然保持在一定范圍內。這就引出了有界相對運動的概念，即衛星星間距離具有確定的上界和下界。

經研究認為，衛星相對運動中的星間距離邊界是由相對運動的初始相對狀態決定的，通過改變衛星相對運動的初始相對狀態，可得到具有不同邊界的衛星相對運動。因此，在進行衛星編隊或衛星集群設計過程中，如何確定出滿足給定邊界條件的初始相對狀態，屬于重要的設計步驟。

目前，通常采用經驗嘗試方法，即不斷改變衛星初始相對狀態中的某個狀態參數，通過反復嘗試，并通過仿真驗證，才能確定衛星初始相對狀態，可見，該種設計方法具有設計效率低的問題。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，具有重要意義。

發明內容

針對現有技術存在的缺陷，本發明提供一種圓參考軌道下給定邊界的衛星初始相對狀態確定方法，能夠快速精確地確定符合給定邊界的衛星初始相對狀態。

本發明采用的技術方案如下：

本發明提供一種圓參考軌道下給定邊界的衛星初始相對狀態確定方法，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；

包括以下步驟：

S1，建立用于確定周期性相對運動條件下給定邊界的初始相對狀態的第一類優化模型，該第一類優化模型的目標函數為：

該第一類優化模型的約束條件為：

其中，J為目標函數；

—期望的星間距離上界；

—期望的星間距離下界；

d_max—實際的星間距離上界；

d_min—實際的星間距離下界；

—待求解的跟蹤星初始相對狀態向量；

x₀—跟蹤星在參考星當地軌道坐標系下，相對參考星的初始相對位置在x軸上的分量；

y₀—跟蹤星在參考星當地軌道坐標系下，相對參考星的初始相對位置在y軸上的分量；

z₀—跟蹤星在參考星當地軌道坐標系下，相對參考星的初始相對位置在z軸上的分量；

—跟蹤星在參考星當地軌道坐標系下，相對參考星的初始相對速度在x軸上的分量；

—跟蹤星在參考星當地軌道坐標系下，相對參考星的初始相對速度在y軸上的分量；

—跟蹤星在參考星當地軌道坐標系下，相對參考星的初始相對速度在z軸上的分量；

n—參考星的軌道角速度，其中，μ為地球引力常數；a為參考星的軌道半長軸，是已知量；

r₀—參考星的矢徑，由于參考星運行在圓軌道上，則：r₀＝a；

S2，以作為設計變量，以n、r₀作為已知輸入量，按照一定的優化算法對各個設計變量進行優化，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星初始相對狀態。

優選的，S2中，所述優化算法為遺傳算法和序列二次規劃法相結合的混合優化算法。

優選的，S2具體為：

S2.1，對各個設計變量分別進行編碼，將編碼得到的映射成基因串；

S2.2，隨機產生B個基因串的初始種群；設計適應度函數；該適應度函數與S1建立的優化目標函數以及約束條件相關；

S2.3，使用所述適應性函數對所述初始種群中的每一個個體進行評估，得到適應度值最低的C個個體；其中，每個個體即是一個基因串；

S2.4，對所述C個個體進行交叉和變異操作，產生更接近優化目標的新的個體；從而得到第二代種群；

S2.5，使用所述適應性函數對所述第二代種群中的每一個個體進行評估，得到適應度值最低的C個個體；對所述C個個體進行交叉和變異操作，產生更接近優化目標的新的個體；從而得到第三代種群；依此類推，經過多代進化，得到最符合所述優化目標的個體，該個體即是搜索出的最優解

S2.6，以最優解為初始值，通過序列二次規劃法迅速收斂得到精確解X₀。

優選的，S2.6具體為：