[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

说明书

本发明公开了一种基于广义动力学的卫星‑天线耦合系统路径规划算法，将中继卫星、地面接收站和运动天线引入任务场景实现实拍实传作业。首先，算法通过构建标称姿态坐标系以实现观测约束简化；之后，针对通信节点优先级最高、持续通信时间最长等优化指标，建立基于人工势场的广义受力模型，并采用饱和函数将广义力矩进行归一化处理；最后，建立卫星平台和运动天线的二体动力学系统，并将其置于广义受力模型之中，通过动力学积分实现卫星‑天线转动路径的耦合规划。本发明弥补了现有寻优算法不考虑实拍实传需求、多体问题路径规划算法不健全等缺点，提高了寻优效率，适用于新一代观测卫星实拍实传服务下，卫星平台和天线转动路径的快速规划。

技术领域

本发明属于飞行器设计技术领域，具体涉及一种实拍实传任务需求下、基于广义动力学的卫星运动天线耦合路径的快速规划算法。

背景技术

据了解，实拍实传服务已经成为新一代敏捷卫星对地、对天观测任务的核心需求，是未来航天器技术发展的重要方向。为了实现此技术需求，需要将中继卫星、地面接收站等通信节点引入任务场景、同时为敏捷卫星平台配备大功率数传天线。由于大功率数传天线往往存在半波束角很小的不利情况，因此需要将天线作为运动机构处理。在敏捷卫星实施对地、对天观测任务过程中，通过二维转台将天线实时对准地面接收站或中继卫星，从而实现实拍实传服务。

在实际任务过程中，由于敏捷卫星有效载荷视场有限、且出于光学图像成像需求，往往需要考虑偏流角约束。所以在敏捷卫星执行观测任务的过程中，需要实时进行姿态机动以将载荷对准目标。因此，运动天线与敏捷卫星本体的同时转动就形成了二体耦合转动问题。考虑运动天线在敏捷卫星平台上的转动区域受限、通信节点的可见弧段受到敏捷卫星姿态影响、中继卫星轨道约束与地面接收站随地球转动等问题，使得实拍实传任务需求下，敏捷卫星本体和运动天线转动路径的耦合规划问题变得极其复杂。在实拍实传过程中难免出现中断和通信节点切换等情况。在实际任务中，实拍实传中断弧段的长短和天线跟踪效果的好坏将直接影响到任务效果和地面数据处理评估的效率，因此对上述问题的研究是非常有必要的，需要采用先进的建模和寻优手段才可以得出较为有利的规划结果。

在敏捷卫星姿态规划领域，在先文献H.Kim,Y.K.Chang,Mission schedulingoptimization of SAR satellite constellation for minimizing system responsetime,Aerospace Science and Technology.40(2015)17-32中通过引入遗传算法，将敏捷卫星非线性任务规划模型直接进行全局寻优，以实现对目标区域的最大程度覆盖，但是遗传算法的效率较低、对计算环境要求严苛，难以实现在轨快速任务规划需求。因此，Y.She,S.Li,Y.Zhao,Onboard mission planning for agile satellite using modifiedmixed-integer linear programming,Aerospace Science and Technology,72(2018)204–216中提出将规划模型离散并线性化后，采用线性规划器Linear Programming对任务进行规划，从而大大增加了规划算法的计算效率和速度，实现了在轨任务规划的需求。但是上述先验技术均未能考虑实拍实传任务需求，没有在这一任务场景下实验算法的有效性。