[发明专利]一种GEO卫星群的“一对多”在轨加注任务规划方法

说明书

本发明提供一种GEO卫星群的“一对多”在轨加注任务规划方法,即采用一个服务星和一个储油站对GEO卫星群加注的方式，利用加注次序X和决策变量S来表示任务规划问题，并建立相应的两层优化模型；采用遗传算法解决上层优化问题，下层优化采用随机搜索法，随机生成Q个S，选择优化指标最小的解作为最优解，其编码方式和全局优化能力非常适合路径规划问题，能够快速得到全局最优的方案。本发明具有对GEO目标群在轨加注能力强，燃料消耗少等特点。

技术领域

本发明涉及空间在轨服务领域，特别涉及一种对多个地球同步轨道(GEO)卫星在轨加注的任务规划方法。

背景技术

GEO是一类非常特殊的轨道，轨道高度为35786km，轨道周期与地球自转周期相同。位于该轨道的卫星始终与地球保持同步，覆盖面积广，在预警、通信、数据中继、电子侦察等民用和军用领域发挥着重要的作用。影响GEO卫星寿命的一个重要因素是其携带的燃料质量，一是由于地球非球形，日月引力，太阳光压等摄动的作用，GEO卫星大约每年需施加52m/s的速度增量进行东西和南北位置的保持，二是GEO卫星为覆盖其它区域而进行的轨道机动需要消耗燃料。GEO卫星的燃料将要消耗殆尽时，通常的做法是对它进行离轨操作，重新发射一颗替代卫星。由于航天发射的高成本和卫星本身的制造成本，这是非常昂贵的。因此，近年来各航天大国纷纷提出通过在轨加注提高GEO卫星的寿命和在轨机动能力。

对GEO卫星群的在轨加注方式，以及相对应的任务规划是亟需解决的技术问题。现有的对多个卫星在轨加注的方式主要有“一个服务星方式”，“多个服务星方式”，和“分布式(P2P)”。采用一个服务星时，由于其携带的燃料有限，在轨加注的能力非常有限。采用多个服务星时，只能在一定程度上提高在轨加注能力。采用分布式时，每个卫星既可被用作服务星也可被用作目标星，但目前绝大多数卫星都不具备作为服务星的能力。因此，对GEO卫星群的在轨加注，已有的方法显然不能满足要求。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种GEO卫星群的“一对多”在轨加注任务规划方法,即采用一个服务星和一个储油站对GEO卫星群加注的方式。

本发明的任务场景为：多个具有不同轨道倾角、升交点赤经和相位的GEO卫星提出在轨加注需求，把一个服务星和一个储油站发射至GEO上，且初始轨道参数相同。服务星通过往返于GEO目标和储油站实现燃料的运输，从而完成对多个GEO目标的在轨加注任务。优化目标是服务星轨道转移消耗的燃料最少。约束条件是服务星携带燃料的能力有限，每个GEO目标只能被服务一次，任务完成后服务星转移至初始轨道。在轨加注任务过程中，服务星有以下五种状态：1、停泊在初始GEO上；2、转移至GEO目标；3、为GEO目标进行加注；4、转移至储油站；5、从储油站获得补给。储油站有以下两种状态：1、停泊在初始GEO上；2、为服务星进行加注。

已知服务星和储油站的初始轨道，多个GEO目标在轨加注的任务规划问题需要解决以下三个子问题：一是优化服务星对GEO目标的加注次序；二是确定服务星对GEO目标加注完成后是否回到储油站进行补给；三是确定服务星轨道机动的脉冲速度和每一次从储油站出发时携带的燃料质量。

为解决上述技术问题，本发明一种GEO卫星群的“一对多”在轨加注任务规划方法，采用的技术方案是：

步骤一：输入初始参数：包括n个GEO目标的轨道根数和燃料需求，服务星的轨道根数、结构质量和燃料携带能力，储油站的轨道根数；

步骤二：确定加注方式：服务星通过轨道机动实现与储油站的交会对接，获得燃料的补给；与GEO目标交会对接后，为其在轨加注；服务星往返于GEO目标和储油站之间，运送燃料。轨道机动时，服务星首先调整轨道面，然后进行轨道面内相位的调整，从而实现与储油站或GEO目标的交会对接。通过施加两次速度脉冲进行调相，调相速度增量与调相时间称反比。分析表明，当调相时间超过一个月时，调相速度增量与调整轨道面相比可忽略不计，因此本发明中忽略调相所需的燃料。