[發明專利]一種基于廣義動力學的衛星-天線耦合系統路徑規劃算法

有效

• 申請號: 201910047456.6
• 申請日: 2019-01-18
• 公開（公告）號: CN109918706B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 李爽;佘宇琛;王淑一;張劉
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

1.一種基于廣義動力學的衛星-天線耦合系統路徑規劃算法，其特征在于，包括步驟如下：

步驟一：將中繼衛星、地面接收站引入任務場景，并將二者統稱為通信節點；通過目標及敏捷衛星在慣性坐標系下的相對位置來確定目標的觀測窗口，并定義標稱姿態坐標系；

步驟二：將中繼衛星的軌道根數、地面接收站經緯度坐標信息引入軌道動力學，將中繼衛星或地面接收站與敏捷衛星的相對運動歸一化后投影到標稱姿態坐標系下；

步驟三：基于敏捷衛星與標稱姿態坐標系的相對運動，確定所有通信節點的可見窗；并構建敏捷衛星本體與數傳天線機構的二體動力學模型；

步驟四：通過最大通信節點優先級、最優轉動路徑和最長連續數傳時間來制定不同的指標函數，基于人工勢場法建立相對應的廣義受力模型；將上述步驟三中所獲得的二體動力學模型置于廣義受力模型下，并通過求解廣義動力學方程得出敏捷衛星和數傳天線的轉動路徑；

所述步驟一中的標稱姿態坐標系為：

其中，x_sat，y_sat，z_sat分別為標稱姿態坐標系的x，y和z軸，A_baseline表示標稱姿態坐標系的姿態轉換矩陣，P_ti^J(t)，為目標在地球慣性坐標系下的位置和速度，r_sat(t)，/為敏捷衛星在地球慣性坐標系下的位置和速度，/為目標與敏捷衛星之間的相對速度矢量；

所述步驟二具體包括：

2.1在標稱姿態坐標系下，敏捷衛星X軸始終對準目標方向、敏捷衛星Y軸指向目標相對于敏捷衛星的速度方向，滿足偏流角約束；

2.2將中繼衛星與地面接收站在慣性空間的運動投影到標稱姿態坐標系下，將敏捷衛星的實際姿態與標稱姿態之間的歐拉角定義為相對姿態角；

2.3將敏捷衛星的實際姿態投影到標稱姿態坐標系中進行研究，在該坐標系下，載荷視場范圍和偏流角約束轉化為敏捷衛星X軸與標稱姿態坐標系X軸之間的夾角約束；

2.4基于通信天線在敏捷衛星本體系下的轉動范圍約束，將通信節點的可見窗口時段轉化成為相對姿態角的函數，從而建立相對姿態與通信節點窗口的耦合表達式；

所述步驟三具體包括：

3.1基于拉格朗日動力學，將敏捷衛星-運動天線耦合系統視為二體模型并建立動力學模型：

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其中，M，D，C分別為廣義質量矩陣、廣義阻尼矩陣和非線性力矩陣，T_coupling為施加在系統之上的廣義力矩，q包含敏捷衛星本體三軸姿態q_base和天線二維指向方向q_ant：

3.2通過分離參數法，分別針對敏捷衛星平臺和運動天線構建轉動模型，將拉格朗日動力學模型展開，其具體形式如下：

其中：

式中，算子ag(·)代表求兩個向量之間的夾角的運算過程，A(t)為敏捷衛星實際三軸姿態矩陣，與標稱姿態坐標系A_baseline對應；M′、D′、C′分別表示敏捷衛星平臺姿態的三自由度廣義質量矩陣、廣義阻尼矩陣和非線性力矩陣；M_ant、D_ex、C_ant分別表示運動天線指向的二自由度廣義質量矩陣、廣義阻尼矩陣和非線性力矩陣；M_c、D_c分別表示敏捷衛星平臺和運動天線的動力學耦合矩陣；

所述步驟四具體包括：根據優化指標函數的特性，建立人工勢場，并將步驟三中構建二體動力學模型至于人工勢場中，利用求解廣義動力學模型確定敏捷衛星平臺和天線的轉動路徑；其中，優化指標包括：

a)模型1：通過最大通信節點優先級

b)模型2：最優轉動路徑

c)模型3：最長連續傳輸時間

廣義動力學模型分別針對地面接收站和中繼衛星進行建立，其定義如下：

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其中，Ψ為權重函數，其取值與當前通信節點在敏捷衛星本體系下的位置區域有關；n為用來描述到天線盲區的特征向量，P_{g_i}^b(t)，P_{geo_i}^b(t)分別代表地面接收站和中繼衛星相對于敏捷衛星的位置矢量，a_g，a_geo分別代表地面接收站和中繼衛星的優先級指標，t為當前時刻，T_{g_max_i}，T_{geo_max_i}分別代表當前通信節點可見弧段的末端時刻；D_antenna(t)為運動天線相對于敏捷衛星的二維指向；

基于以上定義，得式(2)中的施加在二體動力學模型上的廣義力矩T_coupling表示所有通信節點對系統所施加的力矩之和：

將上式(9)帶入式(2)即求解出敏捷衛星平臺和運動天線的轉動加速度，考慮到敏捷衛星和運動天線的機動能力約束，分別定義二者的最大角速度Ω和Ω_ant，則對上述動力學模型按照等比例縮放方式進行抗飽和處理：

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