[發明專利]一種GEO直接定點發射軌道優化方法

有效

• 申請號: 202010524278.4
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111812977B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 王傳魁;陳益;周文勇;王國輝;焉彬;張利賓;鄭莉莉;葉成敏;杜大程;張蘇閩;肖澤寧;馮榮;宮長輝;陳佳曄;韓冬
• 申請（專利權）人: 北京宇航系統工程研究所
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張曉飛

本發明一種GEO直接定點發射軌道優化方法，步驟如下：1)設置NSGA?II優化參數；2)設置優化變量取值范圍；3)生成發射軌道計算參數條件初始種群；4)生成發射軌道計算結果種群；5)子代種群生成；6)子代種群生成；7)下一代父代種群；8)遺傳終止判斷。

技術領域

本發明涉及一種用于衛星等航天器發射的上面級軌道設計優化方法。

背景技術

地球靜止軌道(GEO，Geostationary Orbit)衛星發射軌道設計和優化可以提高航天發射任務效率。在概念設計階段，基于軌道優化基礎上確定最優總體參數能最大程度地挖掘設計潛能；在實際飛行軌道設計階段，軌道優化設計可以有效提高有效載荷質量和降低發射成本。國內大部分專家學者研究一般為間接入軌GEO衛星發射軌道，且分為運載火箭發射地球同步轉移軌道(Geosynchronous Transfer Orbit，GTO)優化和GEO衛星定點變軌優化兩種研究模式。

由于發射場的緯度限制，GTO發射軌道通常是選擇帶有停泊軌道的發射軌道，該發射軌道優化設計問題是一個大規模復雜的軌跡優化設計問題。我國最早提出的GTO發射軌道的設計方法，在遠地點采用多次變軌的最優變軌過程，提出推力方向最優的變化規律及中間軌道的最優選擇方法。在GTO軌道基礎上，GEO衛星發射時通常采用間接入軌的發射方案，運載火箭將攜帶變軌發動機和燃料的衛星送入GTO，衛星在GTO軌道遠地點附近經過數次(4次～6次)點火機動，最終將衛星定點至期望位置。衛星一般通過合理分配這幾次變軌過程的能量分配來優化燃料消耗；也采用根據發射月份的不同優化選取轉移軌道近地點幅角的方法等，減低變軌所需速度增量，優化衛星變軌方案。

對于GEO衛星直接入軌發射需求，可以采用運載火箭和上面級聯合，直接定點發射的方案，可以將衛星直接送入需要定點的赤道上空。火箭首先將攜帶GEO衛星的火箭上面級發射進入200km×36 000km、傾角19°～28°的同步轉移軌道或者遠地點稍高的超同步轉移軌道；根據衛星定點位置的需要，上面級在遠地點第1次點火工作抬高軌道并部分壓低軌道傾角，進入調相軌道，經過調相軌道段的飛行后，上面級在調相軌道遠地點第2次點火工作，調整飛行軌道近地點高度和軌道傾角，最終進入GEO軌道并完成定點。飛行軌道如圖1所示。

優化問題包括最大化和最小化問題，兩者之間又可以相互轉化，因此多目標優化問題同一歸納為多目標最小化問題，給出多目標優化的一般數學表達式：

min F(x)＝(f₁(x),f₂(x),…,f_m(x))^T

其中，是n維決策向量，X為n維決策空間，是m維目標向量，Y為m維目標空間，F(x)為由m個從X向Y映射的目標分量函數構成的目標函數，f_i(x)為目標函數F(x)的第i個目標分量函數，g(x)、h(x)分別為對決策空間進行約束的p個不等式函數和q個等式函數，約束函數共同決定決策向量x的可行域。

改進非支配排序遺傳算法(NSGA-II算法)是一種基于快速分類的、采用精英策略的多目標遺傳算法。首先,隨機生成父代種群P_t,然后對種群進行快速非勝出排序。根據每個非支配解的分級水平為其指定適應值。進行選擇、復制和變異操作生成具有N個個體的子代種群Q_t,父代和子代混合利用精英策略構造出新的種群,并重復循環。算法用偽碼表示為：

合并父代和子代

R_t＝P_t∪Q_t

對群體競選快速非勝出分類F＝{F₁,F₂,…}

F＝fast-nondo min ated-sort(R_t)

and i＝1