[发明专利]面向月球车导航定位的月球导航卫星星座设计与优化方法

权利要求书

1.一种面向月球车导航定位的月球导航卫星轨道参数设计与优化方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据月球探测的具体目标及未来月球探测的主要方向在月球地表选择一片研究区域，获取该研究区域的基本信息，选择研究区域内任意一点作为观测点，然后根据月球物理特性设定围绕月球的导航卫星的轨道信息，并利用导航卫星的轨道信息设计初始星座，导航卫星的轨道信息包括轨道月球卫星的轨道周期、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点角矩和偏近点角，观测点的位置信息；

步骤2：利用研究区域对所的可见星数和一周期内平均几何精度因子GDOP值的大小确定所设计月球导航卫星星座的优劣，一周期内平均GDOP值越小表明设计的星座越优，根据一周期内平均GDOP值所确定的月球导航卫星轨道参数作为最优的轨道参数，求取该最优值的算法为改进的遗传算法，遗传算法的具体模型是

minf(x)

s.t.g(x)≤0

其中f(x)为目标函数，g(x)为约束函数，x为待优化参数矩阵，表示为：

利用遗传算法在满足约束函数g(x)的条件下求取小值目标函数f(x)；

根据所选研究区域的地理位置确定约束函数，约束函数是待优化参数的取值范围，待优化参数包括高椭圆轨道卫星HEO的轨道参数包括高椭圆轨道卫星的轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经和真近点角；

步骤3：对传统遗传算法进行改进，初始化种群代码后对种群适应度评价，然后将遗传算法中的“选择”、“交叉”、“变异”算子改进为“随机竞争选择”、“两点交叉”、“概率自调整变异”，以便更快迭代出准确结果，然后判断种群中是否为相同个体，利用改进后的遗传算法对HEO轨道参数进行优化：

步骤4：利用降低精度的遍历搜索对改进的遗传算法得到的结果进行验证，保证结果的正确性：利用改进的遗传算法对步骤3获得的轨道参数进行计算，从而计算出观测点对所有星座在一个周期内可见星数、平均GDOP值和最大GDOP值，若计算出的见星数不足4颗则排除当前星座，只保留可见星数大于或等于4颗、平均GDOP值小于5、最大GDOP值小于10的星座，最终得出全局最优的月球导航卫星轨道的开普勒六参数。

2.根据权利要求1所述的面向月球车导航定位的月球导航卫星轨道参数设计与优化方法，其特征在于利用改进后的遗传算法对HEO轨道参数进行优化，具体步骤为：

①在约束函数范围内随机生成多组月球导航卫星星座的轨道参数{x₁,x₂,x₃,…,x_n}，每组参数唯一确定一个卫星星座，根据初始的轨道参数计算出步骤1选定的观测点对每个星座观测一个观察周期的平均GDOP值大小；

②根据观测点对每个星座的GDOP值大小计算目标函数值；

③以目标函数值大小为依据对约束函数范围内随机生成的多组代求参数进行选择、交叉、变异计算，得到新的多组代求轨道参数，并根据新的轨道参数计算出观测点一周期的平均GOP值；

④若x₁至x_n均相同，则计算结束，否则返回②，直到所有组轨道参数相同为止，此时所有组参数均是最优参数；根据结果优劣进行适当调整：交叉概率、变异概率和遗传代数，如若迭代一定次数后结果所有组参数仍不相同，可增加前两者的值，若计算速度较慢，可减少遗传代数的值，以更准确迭代得到使平均GDOP值最小的轨道参数。

3.根据权利要求2所述的面向月球车导航定位的月球导航卫星轨道参数设计与优化方法，其特征在于利用研究区域对初始星座的可见星数和GDOP值确定所设计轨道的优劣，并根据GDOP值确定所需优化的目标函数，利用月球物理特性设计所需优化HEO轨道轨道参数的取值范围具体步骤如下：

根据所需研究的地理位置经纬度和球面高度设计算法计算该位置对卫星星座的可见星数和GDOP值，计算方法为使用卫星和观测点的瞬时几何位置信息计算观测点对卫星星座的GDOP值，并分别计算观测点对每个卫星的可见性，一周期内的取样间隔为1分钟，根据某组参数计算得到一周期内的总GDOP值倒数占所有组参数所有时刻的总GDOP值倒数的大小确定某组参数的目标函数值，即月球导航卫星星座某组参数的目标函数值为：，

其中x、i为参数的组数，j为观测次数，m为总组数，n为总观测次数；目标函数值f(x)越高，此组参数越容易在选择算子中被保留下来。