[发明专利]一种基于神经网络的卫星东西位保协态初值估计方法

说明书

本发明公开的一种基于神经网络的卫星东西位保协态初值估计方法，属于航空航天技术领域。本发明实现方法为：建立轨道运动模型、地影约束模型，并分别建立时间和燃料最优位置保持问题模型；多次求解最优问题获得东西位置保持燃料最优解并构建数据集；设计转移时间预测模块结构并训练子网络，解决转移时间难以获得的问题；设计地影预测模块并训练子网络解决地影判断困难的问题；设计协态初值预测模块结构并训练子网络解决协态初值优化困难的问题；在此基础上，构建三相DNN，用以获得转移时间与协态初值估计，使得打靶法能够快速收敛，提高东西位保问题在轨求解效率，解决协态初值敏感问题，实现卫星在轨东西位保协态初值实时估计，进而减小地面站压力并增强卫星自主性。

技术领域

本发明涉及一种基于神经网络的卫星东西位保协态初值估计方法，尤其涉及地影约束下转移时间自由的燃料最优控制方法，属于航空航天技术领域。

背景技术

地球静止轨道卫星(Geostationary Orbit,GEO)指一条在赤道上空35786km附近的圆轨道。由于其周期与地球自转周期一致且轨道倾角近似为零，因此该轨道上的卫星相对于地面静止，在通信、导航、遥感、预警、数据中继、气象等军用民用领域中发挥重要作用，拥有着极高的战略价值。由于只有特定轨道高度和轨道倾角的轨道能做到相对地面静止，使得静止轨道资源十分珍贵。

GEO卫星在运行时主要受到地球非球形摄动、日月引力摄动、太阳光压摄动，受到上述三种摄动的影响，其轨道根数会发生改变，造成GEO卫星地心经度和地心纬度发生变化，使得卫星在无控的情况下逐渐漂移出定点窗口。由于GEO轨道资源珍贵性，漂移出定点窗口则意味着可能和附近地心经度的卫星发生碰撞进而报废，也可能由于偏离过大对GEO卫星功能造成影响。GEO卫星的位置保持即是在卫星即将漂移出定点窗口时，施加一定机动，使得卫星保持在定点窗口内运动，进而保证卫星的安全与正常功能。

GEO卫星发动机主要分为脉冲推力发动机与电推力发动机。脉冲推力发动机发展时间长，在各大航天任务中应用良好，该种发动机的特点是瞬时推力大，但比冲较小。电推力发动机发展时间较短，应用范围较小。现有的电推进发动机主要为离子推力器和霍尔发动机，两种电推力发动机都有着瞬时推力小与工质比冲高的特点。相较于脉冲发动机，使用电推力发动机节省燃料，且所需电力能够通过太阳能帆板补充，更适用于GEO卫星的位保任务。

由于电推力发动机存在瞬时推力小，机动过程时间较长的特点，不能再认为瞬时改变卫星状态，在设计控制率时需要考虑转移期间的状态变化。因此，电推力GEO卫星的位保任务控制率常使用最优控制方法求解。最优控制方法主要分为直接法和间接法。其中，间接法能够保证局部最优，更加适合求解对精度要求高的位置保持任务。间接法引入了物理意义不明的协态变量进行求解，通过对协态初值估计将优化问题转化为打靶问题，这使得间接法对协态初值敏感，控制率求解的最大困难便是确定协态初值。