[发明专利]一种基于广义动力学的卫星-天线耦合系统路径规划算法

权利要求书

1.一种基于广义动力学的卫星-天线耦合系统路径规划算法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤一：将中继卫星、地面接收站引入任务场景，并将二者统称为通信节点；通过目标及敏捷卫星在惯性坐标系下的相对位置来确定目标的观测窗口，并定义标称姿态坐标系；

步骤二：将中继卫星的轨道根数、地面接收站经纬度坐标信息引入轨道动力学，将中继卫星或地面接收站与敏捷卫星的相对运动归一化后投影到标称姿态坐标系下；

步骤三：基于敏捷卫星与标称姿态坐标系的相对运动，确定所有通信节点的可见窗；并构建敏捷卫星本体与数传天线机构的二体动力学模型；

步骤四：通过最大通信节点优先级、最优转动路径和最长连续数传时间来制定不同的指标函数，基于人工势场法建立相对应的广义受力模型；将上述步骤三中所获得的二体动力学模型置于广义受力模型下，并通过求解广义动力学方程得出敏捷卫星和数传天线的转动路径；

所述步骤一中的标称姿态坐标系为：

其中，x_sat，y_sat，z_sat分别为标称姿态坐标系的x，y和z轴，A_baseline表示标称姿态坐标系的姿态转换矩阵，P_ti^J(t)，为目标在地球惯性坐标系下的位置和速度，r_sat(t)，/为敏捷卫星在地球惯性坐标系下的位置和速度，/为目标与敏捷卫星之间的相对速度矢量；

所述步骤二具体包括：

2.1在标称姿态坐标系下，敏捷卫星X轴始终对准目标方向、敏捷卫星Y轴指向目标相对于敏捷卫星的速度方向，满足偏流角约束；

2.2将中继卫星与地面接收站在惯性空间的运动投影到标称姿态坐标系下，将敏捷卫星的实际姿态与标称姿态之间的欧拉角定义为相对姿态角；

2.3将敏捷卫星的实际姿态投影到标称姿态坐标系中进行研究，在该坐标系下，载荷视场范围和偏流角约束转化为敏捷卫星X轴与标称姿态坐标系X轴之间的夹角约束；

2.4基于通信天线在敏捷卫星本体系下的转动范围约束，将通信节点的可见窗口时段转化成为相对姿态角的函数，从而建立相对姿态与通信节点窗口的耦合表达式；

所述步骤三具体包括：

3.1基于拉格朗日动力学，将敏捷卫星-运动天线耦合系统视为二体模型并建立动力学模型：

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其中，M，D，C分别为广义质量矩阵、广义阻尼矩阵和非线性力矩阵，T_coupling为施加在系统之上的广义力矩，q包含敏捷卫星本体三轴姿态q_base和天线二维指向方向q_ant：

3.2通过分离参数法，分别针对敏捷卫星平台和运动天线构建转动模型，将拉格朗日动力学模型展开，其具体形式如下：

其中：

式中，算子ag(·)代表求两个向量之间的夹角的运算过程，A(t)为敏捷卫星实际三轴姿态矩阵，与标称姿态坐标系A_baseline对应；M′、D′、C′分别表示敏捷卫星平台姿态的三自由度广义质量矩阵、广义阻尼矩阵和非线性力矩阵；M_ant、D_ex、C_ant分别表示运动天线指向的二自由度广义质量矩阵、广义阻尼矩阵和非线性力矩阵；M_c、D_c分别表示敏捷卫星平台和运动天线的动力学耦合矩阵；

所述步骤四具体包括：根据优化指标函数的特性，建立人工势场，并将步骤三中构建二体动力学模型至于人工势场中，利用求解广义动力学模型确定敏捷卫星平台和天线的转动路径；其中，优化指标包括：

a)模型1：通过最大通信节点优先级

b)模型2：最优转动路径

c)模型3：最长连续传输时间

广义动力学模型分别针对地面接收站和中继卫星进行建立，其定义如下：

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其中，Ψ为权重函数，其取值与当前通信节点在敏捷卫星本体系下的位置区域有关；n为用来描述到天线盲区的特征向量，P_{g_i}^b(t)，P_{geo_i}^b(t)分别代表地面接收站和中继卫星相对于敏捷卫星的位置矢量，a_g，a_geo分别代表地面接收站和中继卫星的优先级指标，t为当前时刻，T_{g_max_i}，T_{geo_max_i}分别代表当前通信节点可见弧段的末端时刻；D_antenna(t)为运动天线相对于敏捷卫星的二维指向；

基于以上定义，得式(2)中的施加在二体动力学模型上的广义力矩T_coupling表示所有通信节点对系统所施加的力矩之和：

将上式(9)带入式(2)即求解出敏捷卫星平台和运动天线的转动加速度，考虑到敏捷卫星和运动天线的机动能力约束，分别定义二者的最大角速度Ω和Ω_ant，则对上述动力学模型按照等比例缩放方式进行抗饱和处理：

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