[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

说明书

一种基于遗传算法的月球导航卫星星座设计与优化方法，其适用于月球导航卫星星座的建立与优化、月面月球车的导航定位。其步骤为1)根据月球物理特性确定MLO轨道及月球研究区域基本信息。2)利用研究区域对设计星座的可见星数和GDOP值确定所设计轨道的优劣。3)利用改进的遗传算法对HEO轨道参数进行优化。4)利用降低精度的遍历搜索对遗传算法得到的结果进行验证，保证结果的准确性。这种方法证明了遗传算法在星座设计中具有很高的可用性，优化后的星座提高了月球车在月球南极附近的导航与定位精度。

技术领域

本发明涉及一种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，尤其适用于导航领域中给定卫星数目导航卫星的卫星轨道参数全局求解与优化。

背景技术

月球车导航定位方式主要采用降落相机、惯性测量单元等有效载荷，其定位的方式是相对定位，具有误差累积的缺点，使得月球车不能长时间、长距离、以较快速度在月面勘察或作业。为了解决保证月球车在月面具有高精度的位置和速度信息，需要使月球车具有持续的、高可靠性的绝对定位能力。

目前，月球车广泛使用的绝对定位方式为天文导航，即借助地球、太阳和其它恒星的观测信息进行定向定位，但是在月球的自转和公转时，月球车所参考某一天体的可见性不是一成不变，同时由于精度较低等原因，天文导航常不能单独作为月球车导航定位的方法。由于月球距离地球较远，广泛应用于地面载体绝对定位的地球轨道导航卫星在月面将难以使用，陈雷等使用GPS、BDS、Galileo、GLONASS四系统联合方式对月球轨道探测器进行定轨，模拟表明可见星数较少、接收功率较低、可用时段较短，即可用性较差。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种步骤简单，计算简便且效率高，定位精度高，对于月球导航卫星星座设计、月面月球车导航定位、区域覆盖卫星参数优化等具有重要的实际意义和应用价值的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。

为实现上述技术目的，本发明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：对遗传算法进行改进，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，利用改进后的遗传算法对HEO轨道参数进行优化：