[发明专利]一种基于遗传算法的卫星轨控发动机安装优化方法

权利要求书

1.一种基于遗传算法的卫星轨控发动机安装优化方法，其特征在实现步骤如下：

(1)根据卫星控制系统对卫星布局的要求，确定发动机安装优化的目标函数；

发动机安装优化的目标函数为：发动机安装优化的目标函数中：

$\left[\begin{array}{c}{T}_x\\ T_y\\ T_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(-f_y*(p_z-x_c)+f_z*(p_y-y_c\left)\right)/1000\\ (-f_z*(p_x-x_c)+f_x*(p_z-z_c\left)\right)/1000\\ (-f_x*(p_y-x_c)+f_y*(p_x-x_c\left)\right)/1000\end{array}\right]$

[f_x f_y f_z]＝F[sin(α)sin(γ) -sin(α)cos(γ) cos(α)]R

[p_x p_y p_z]＝[δsin(β) -δcos(β) h]R+[λ₁ λ₂ λ₃]

$R=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)& \sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)\\ 0& -\sin \left({\mathrm{\α}}_1\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_1\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\α}}_2\right)& 0& -\sin \left({\mathrm{\α}}_2\right)\\ 0& 1& 0\\ \sin \left({\mathrm{\α}}_2\right)& 0& \cos \left({\mathrm{\α}}_2\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos \left({\mathrm{\α}}_3\right)& \sin \left({\mathrm{\α}}_3\right)& 0\\ -\sin \left({\mathrm{\α}}_3\right)& \cos \left({\mathrm{\α}}_3\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

“min”表示最小值；

[T_x T_y T_z]—绕卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴、OscZsc轴3个坐标轴的干扰力矩；

[f_x f_y f_z]—发动机推力矢量在卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴、OscZsc轴三个方向的推力分量；

[p_x p_y p_z]—在卫星机械坐标系下的发动机推力作用点坐标值；

[x_C y_C z_C]—卫星相对机械坐标系的质心；

F—推力器的理论推力；

R—发动机相对卫星机械坐标系的旋转矩阵；

α₁、α₂、α₃—分别为发动机安装调整时，发动机绕卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴和OscZsc轴的旋转角度；

λ₁、λ₂、λ₃—分别为发动机安装调整时，发动机沿卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴和OscZsc轴的平移量；

α—推力矢量偏斜角，以发动机坐标系X轴为基准；

β—推力矢量横移位置角，以发动机坐标系Y轴为基准，由发动机顶视方向逆时针为正；

γ—推力矢量偏斜位置角，以发动机坐标系Y轴为基准，由发动机顶视方向逆时针为正；

δ—推力矢量横移量，即距离发动机坐标系原点的距离；

(2)根据发动机几何参数和安装要求，确定发动机安装优化的约束函数；发动机安装优化的约束函数为：

$min({\left(C_{ix\_up}^{\′}-H_{ix}\right)}^2+{\left(C_{iy\_up}^{\′}-H_{iy}\right)}^2)\≥{\left(\frac{d}{2}\right)}^2,i=1,2,3$

$min\left({\left(C_{ix\_down}^{\′}-H_{ix}\right)}^2+{\left(C_{iy\_down}^{\′}-H_{iy}\right)}^2\right)\≥{\left(\frac{d}{2}\right)}^2,i=1,2,3$

max(P_iz)≤MAX_z i＝1,2,...,6

min(P_iz)≤MIN_z i＝1,2,...,6

发动机安装优化的约束函数中：

H_ix＝r₁cos(θ_i)i＝1,2,3

H_iy＝r₁sin(θ_i)i＝1,2,3

$\left[\begin{array}{ccc}{C}_{ix\_up}^{\′}& C_{iy\_up}^{\′}& C_{iz\_up}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{H}_{ix}+\frac{D}{2}cos\left(\mathrm{\κ}\right)& H_{iy}+\frac{D}{2}sin\left(\mathrm{\κ}\right)& h\end{array}\right]R+\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\λ}}_1& {\mathrm{\λ}}_2& {\mathrm{\λ}}_3\end{array}\right],i=1,2,3$

$\left[\begin{array}{ccc}{C}_{ix\_down}^{\′}& C_{iy\_down}^{\′}& C_{iz\_down}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{H}_{ix}+\frac{D}{2}cos\left(\mathrm{\κ}\right)& H_{iy}+\frac{D}{2}sin\left(\mathrm{\κ}\right)& h-l\end{array}\right]R+\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\λ}}_1& {\mathrm{\λ}}_2& {\mathrm{\λ}}_3\end{array}\right],i=1,2,3$

[P_ix P_iy P_iz]＝[r₂cos(ψ_i) r₂sin(ψ_i) h]R+[λ₁ λ₂ λ₃]i＝1,2,...,6；

ψ_i∈[θ_j,(θ_j+θ₁₀)]i＝1,2,...,6；j＝4,5,...,9；

“max”表示最大值；

d—发动机安装法兰与发动机支架之间连接的螺钉的公称直径；

θ_i—发动机安装法兰与发动机支架连接的3个安装孔中心与发动机坐标系原点连线和发动机坐标系+Z轴的张角，i＝1,2,3；

θ_j—发动机安装法兰上的6个凸耳右侧与发动机坐标系原点连线和发动机坐标系+Z轴的张角，j＝4,5,…,9；

H_ix、H_iy—分别为发动机未旋转和平移时，发动机安装法兰与发动机支架之间3个连接孔的中心在卫星机械坐标系下的X、Y坐标值，i＝1,2,3；

r₁—发动机安装法兰和发动机支架之间连接孔中心所在圆的半径；

D—发动机安装法兰上的3个安装孔直径；

C'_{ix_up}、C'_{iy_up}、C'_{iz_up}—分别为发动机旋转和平移后，发动机安装法兰上表面的3个安装孔的圆周上的任意一点在卫星机械坐标系下的X、Y、Z坐标值，i＝1,2,3；

C'_{ix_down}、C'_iy__down、C'_{iz_down}—分别为发动机旋转和平移后，发动机安装法兰下表面的3个安装孔的圆周上的任意一点在卫星机械坐标系下的X、Y、Z坐标值，i＝1,2,3；

h—发动机未旋转和平移时，发动机安装法兰的上表面在卫星机械坐标系下的Z向坐标值；

l—发动机安装法兰的厚度；

κ∈[0°,360°]；

P_ix、P_iy、P_iz—分别为发动机安装调整(旋转和平移)后，发动机安装法兰上6个凸耳的外缘在卫星机械坐标系下的X、Y、Z坐标值，i＝1,2,…,6；

MAX_z—发动机安装支架法兰盘下表面在卫星机械坐标系下的Z向坐标值；

MIN_z—发动机与发动机支架连接处的平垫片的上表面在卫星机械坐标系下的Z向坐标值；

ψ_i—发动机安装法兰上6个凸耳的两边相对卫星机械坐标系OscXsc的角度，i＝1,2,…,6；

θ₁₀—发动机安装法兰上每个凸耳的左侧和右侧之间的张角；

r₂—发动机安装法兰凸耳外缘所在圆的半径；

(3)使用MATLAB遗传算法工具箱进行发动机安装参数优化。