[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

本發明公開了一種基于廣義動力學的衛星?天線耦合系統路徑規劃算法，將中繼衛星、地面接收站和運動天線引入任務場景實現實拍實傳作業。首先，算法通過構建標稱姿態坐標系以實現觀測約束簡化；之后，針對通信節點優先級最高、持續通信時間最長等優化指標，建立基于人工勢場的廣義受力模型，并采用飽和函數將廣義力矩進行歸一化處理；最后，建立衛星平臺和運動天線的二體動力學系統，并將其置于廣義受力模型之中，通過動力學積分實現衛星?天線轉動路徑的耦合規劃。本發明彌補了現有尋優算法不考慮實拍實傳需求、多體問題路徑規劃算法不健全等缺點，提高了尋優效率，適用于新一代觀測衛星實拍實傳服務下，衛星平臺和天線轉動路徑的快速規劃。

技術領域

本發明屬于飛行器設計技術領域，具體涉及一種實拍實傳任務需求下、基于廣義動力學的衛星運動天線耦合路徑的快速規劃算法。

背景技術

據了解，實拍實傳服務已經成為新一代敏捷衛星對地、對天觀測任務的核心需求，是未來航天器技術發展的重要方向。為了實現此技術需求，需要將中繼衛星、地面接收站等通信節點引入任務場景、同時為敏捷衛星平臺配備大功率數傳天線。由于大功率數傳天線往往存在半波束角很小的不利情況，因此需要將天線作為運動機構處理。在敏捷衛星實施對地、對天觀測任務過程中，通過二維轉臺將天線實時對準地面接收站或中繼衛星，從而實現實拍實傳服務。

在實際任務過程中，由于敏捷衛星有效載荷視場有限、且出于光學圖像成像需求，往往需要考慮偏流角約束。所以在敏捷衛星執行觀測任務的過程中，需要實時進行姿態機動以將載荷對準目標。因此，運動天線與敏捷衛星本體的同時轉動就形成了二體耦合轉動問題。考慮運動天線在敏捷衛星平臺上的轉動區域受限、通信節點的可見弧段受到敏捷衛星姿態影響、中繼衛星軌道約束與地面接收站隨地球轉動等問題，使得實拍實傳任務需求下，敏捷衛星本體和運動天線轉動路徑的耦合規劃問題變得極其復雜。在實拍實傳過程中難免出現中斷和通信節點切換等情況。在實際任務中，實拍實傳中斷弧段的長短和天線跟蹤效果的好壞將直接影響到任務效果和地面數據處理評估的效率，因此對上述問題的研究是非常有必要的，需要采用先進的建模和尋優手段才可以得出較為有利的規劃結果。

在敏捷衛星姿態規劃領域，在先文獻H.Kim,Y.K.Chang,Mission schedulingoptimization of SAR satellite constellation for minimizing system responsetime,Aerospace Science and Technology.40(2015)17-32中通過引入遺傳算法，將敏捷衛星非線性任務規劃模型直接進行全局尋優，以實現對目標區域的最大程度覆蓋，但是遺傳算法的效率較低、對計算環境要求嚴苛，難以實現在軌快速任務規劃需求。因此，Y.She,S.Li,Y.Zhao,Onboard mission planning for agile satellite using modifiedmixed-integer linear programming,Aerospace Science and Technology,72(2018)204–216中提出將規劃模型離散并線性化后，采用線性規劃器Linear Programming對任務進行規劃，從而大大增加了規劃算法的計算效率和速度，實現了在軌任務規劃的需求。但是上述先驗技術均未能考慮實拍實傳任務需求，沒有在這一任務場景下實驗算法的有效性。