[發(fā)明專利]基于改進(jìn)自適應(yīng)偽譜法的撓性遙感衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動規(guī)劃方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310447394.4
• 申請日: 2023-04-24
• 公開（公告）號: CN116414143A
• 公開（公告）日: 2023-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 范國偉;高宇;劉泉志;肖陽;呂雪瑩;張樂;張劉
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京中理通專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11633
• 代理人: 劉慧宇

基于改進(jìn)自適應(yīng)偽譜法的撓性遙感衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動規(guī)劃方法，涉及撓性遙感衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)領(lǐng)域，解決現(xiàn)有方法易導(dǎo)致網(wǎng)格細(xì)化次數(shù)大量增加，不可避免地增加迭代次數(shù)，耗費(fèi)更多的星上計算機(jī)資源，進(jìn)而降低衛(wèi)星在軌應(yīng)用效能等問題，首先結(jié)合衛(wèi)星動力學(xué)，運(yùn)動學(xué)和撓性附件的振動方程，建立面向最優(yōu)控制方法的剛撓耦合狀態(tài)空間方程，其次在建立包含代數(shù)?微分約束，控制力矩約束，角動量約束，路徑約束以及以時間最短為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)hp自適應(yīng)偽譜法將最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題進(jìn)行求解。本方法能夠在最短時間內(nèi)生成滿足各項約束要求的最優(yōu)軌跡，且相比于傳統(tǒng)hp自適應(yīng)偽譜法在同精度下耗時更短，具有更高的求解效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及撓性遙感衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于改進(jìn)自適應(yīng)偽譜法的撓性遙感衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

隨著空間遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，在軌衛(wèi)星的控制任務(wù)和類型日益多樣化，利用高分辨率遙感衛(wèi)星在短時間內(nèi)獲取地面目標(biāo)的遙感圖像已經(jīng)成為一種高效的信息獲取手段，高速、低功耗、高精度的光學(xué)遙感衛(wèi)星已廣泛應(yīng)用于國土軍事安全、自然災(zāi)害響應(yīng)、遠(yuǎn)程通信等眾多商業(yè)領(lǐng)域。如：現(xiàn)有公開文獻(xiàn)，張劉,張曉寒,岳慶興,劉念,孫凱鵬,孫杰,范國偉.光學(xué)遙感衛(wèi)星凝視成像姿態(tài)規(guī)劃及快速仿真方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2021,51(1):340-348。

目前遙感衛(wèi)星的技術(shù)水平，已經(jīng)從最初的星下點(diǎn)成像發(fā)展成已能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星在姿態(tài)調(diào)整過程中進(jìn)行成像，新型的成像模式對衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動控制提出了更高的要求，而遙感衛(wèi)星在姿態(tài)機(jī)動過程中的各類約束為姿態(tài)規(guī)劃與控制都帶來了巨大挑戰(zhàn)。遙感任務(wù)通常要求衛(wèi)星具有大角度、高精度的定向機(jī)動能力，從而提高觀測效率，然而機(jī)動過程中可能會受到太陽帆板等撓性部件的振動、執(zhí)行機(jī)構(gòu)能力、敏感器以及光學(xué)敏感元件的光源影響等條件約束，令機(jī)動過程中產(chǎn)生不恰當(dāng)姿態(tài)，從而導(dǎo)致任務(wù)失敗。因此如何在參數(shù)不確定性、外部干擾、撓性部件振動、執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和等不利因素下實(shí)現(xiàn)高分辨率遙感衛(wèi)星多約束姿態(tài)機(jī)動成為了亟待解決的難題。

關(guān)于剛撓耦合系統(tǒng)，其姿態(tài)動力學(xué)和控制問題已引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。對于最優(yōu)控制問題(OCP)，基于龐特里亞金最小(最大)值原理，間接方法推導(dǎo)出了OCP的一階最優(yōu)必要條件，構(gòu)成了OCP的哈密頓邊值問題。對于復(fù)雜的OCP，求解兩點(diǎn)邊值問題是很困難的，收斂區(qū)域很小。非物理意義的協(xié)態(tài)變量需要非常嚴(yán)格的初值估計才能求出其收斂解。因此，間接法在實(shí)踐中受到了很大的限制。近年來，直接配點(diǎn)法中的偽譜法已成為處理最優(yōu)控制問題的一種重要方法。偽譜法的思想是利用正交多項式逼近一組配置點(diǎn)的狀態(tài)和控制變量。然后將最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為離散非線性規(guī)劃問題。近年來以偽譜法為代表的直接配點(diǎn)法已成為求解復(fù)雜最優(yōu)控制問題的重要方法，hp自適應(yīng)方法起源于有限元法。

現(xiàn)有論文文獻(xiàn)，如：周文雅,楊滌,梁新剛.利用高斯偽譜法求解最優(yōu)氣動輔助軌道轉(zhuǎn)移[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2010,40(05):1454-1459)將高斯偽譜法用于共面高軌道到低軌道航天器氣動輔助軌道轉(zhuǎn)移的研究。武曉雯等人利用全局偽譜法結(jié)合智能算法(武曉雯.敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動規(guī)劃方法研究[D].哈爾濱工程大學(xué),2016.)，以能量最小為前提設(shè)計敏捷衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動軌跡，但是對于不連續(xù)或者非光滑的最優(yōu)問題時很難捕捉到解的不連續(xù)性和不光滑性，導(dǎo)致精度降低，同時未考慮到撓性部件對衛(wèi)星的影響，如：現(xiàn)有論文文獻(xiàn)，王麗英,張友安,黃詰,帶約束的末制導(dǎo)律與偽譜法軌跡優(yōu)化[M].北京:國防工業(yè)出版社,2015；劉瑞帆等人提出一種改進(jìn)的hp自適應(yīng)偽譜法(劉瑞帆,于云峰,閆斌斌.基于改進(jìn)hp自適應(yīng)偽譜法的高超聲速飛行器上升段軌跡規(guī)劃[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,34(05):790-797.)，并將該算法應(yīng)用于高超聲速飛行器的最省燃料爬升問題，可以以較少的時間代價獲得精度較高的解。