[发明专利]一种航天器集群动态路径规划方法

说明书

本发明提供一种航天器集群动态路径规划方法，由于三维空间内的轨道动力学方程非线性较强，因此考虑到航天器在空间中所受的空间力进行建模，通过协同粒子群算法来进行航天器集群的路径规划自主搜索过程，可以完美的在考虑空间障碍和航天器集群内部约束的条件下完成以燃料最优为优化指标的航天器集群路径规划。该方法在考虑三维空间内障碍物的前提下进行动态路径规划，在规避障碍物的前提下得到最优路径。

技术领域

本发明属于航天器集群动态路径规划领域，尤其涉及一种航天器集群动态路径规划方法。

背景技术

近些年航天器集群系统成为航天领域研究的热点，虽然航天器集群在航天领域中才初露头角，但参考其在航空领域或地面任务中的发展可知，使用智能航天器集群执行空间任务具有非常巨大的前景的，例如：使用多个航天器执行对近距离目标的观测、围捕、搬运或修复任务；采用多个航天器组成临时中继通信卫星；或者采用多个航天器验证聚集、对接或分离技术等。

航天器集群路径规划问题是航天器集群研究中的重点问题。黄海滨在文献《卫星编队飞行自主队形重构方法研究》中提出了一种使用粒子群算法设计航天器集群路径的方法，但其并未考虑可能存在的环境障碍物；张斌在文献《基于粒子群算法的群体机器人围捕行为的研究》中应用粒子群算法以及人工势场法在二维环境下进行了机器人路径规划设计，但其并未考虑三维环境中的情况；谢竟在《对抗环境中多机器人群体博弈与协调控制研究》中在三维环境中针对无人机集群进行了路径规划设计，但由于航天器处于太空环境中，其特殊的环境导致其所受的轨道力和无人机所受的力有显著区别。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种航天器集群动态路径规划方法，该方法在考虑三维空间内障碍物的前提下进行动态路径规划，在规避障碍物的前提下得到最优路径。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种航天器集群动态路径规划方法，包括：

步骤1，根据任务需求确定各成员航天器的初始目标点；

步骤2，建立在三维空间内的航天器动力学方程，并根据各成员航天器的初始目标点，计算航天器集群中各成员航天器对应目标点的运动轨迹，得到各成员航天器最终的目标点；

步骤3，根据任务需求确定路径规划中的约束条件并在三维空间内建立将空间障碍物考虑在内的各成员航天器逼近目标点的适应度函数；

步骤4，初始化粒子群算法的粒子位置和速度，并根据适应度函数计算粒子的适应度函数值；

步骤5，采用粒子群算法迭代计算粒子群的个体最优解以及全局最优解；根据全局最优解更新粒子的位置和速度；

步骤6，根据粒子的位置和速度及适应度函数，计算粒子的适应度函数值，如果适应度函数值收敛，则输出最优解，得到航天器集群最优路径；如果适应度函数值不收敛，则返回步骤5。

优选的，步骤2具体是：利用式(1)计算目标点公转导致的目标点运动轨迹；利用式(2)和式(3)计算由目标点自转导致的目标点运动轨迹，根据目标点公转导致的目标点运动轨迹和目标点自转导致的目标点运动轨迹得到目标点的运动轨迹；

其中，矢量v为目标点的速度矢量；矢量r为目标点的位置矢量；标量r为目标点距离轨道中心的距离；为地球非球形扁状摄动导致的加速度变化矢量；为太阳引力摄动导致的加速度变化矢量；为月球引力摄动导致的加速度变化矢量；为太阳光压摄动导致的加速度变化矢量；

其中，下标a表示各成员航天器到达目标点时刻，下标b表示初始时刻，[x,y,z]表示目标点在目标本体系下的位置状态，R表示旋转矩阵，具体定义如下：