[发明专利]一种基于分层优化策略的航天器多目标交会规划方法

说明书

本发明提出一种基于分层优化策略的航天器多目标交会规划方法，包括：配置追踪器与需要服务的各个目标器的近地圆轨道参数；对航天器多目标交会规划进行上层优化，对设计变量的最优解进行搜寻；将所述最优解代入下层优化；采用基于梯度的优化算法寻优或基于近似动力学模型及约束条件估计近似解，以单次交会的机动执行时刻与机动冲量为设计变量对航天器多目标交会规划进行下层优化，计算得到每次轨道转移的最优脉冲消耗作为局部规划结果；将多轮微分修正用于将局部规划结果改进为高精度结果，利用所述高精度结果调整交会轨道转移时间及交会后服务时间。

技术领域

本发明属于航天器轨道规划领域，特别涉及一种基于分层优化策略的航天器多目标交会规划方法，该方法应用于地球卫星在轨服务任务中面向多目标的远距离交会场景，特别是对交会时间序列及推进剂消耗有严格要求的任务。

背景技术

在轨服务是指在航天轨道空间通过人、机器或两者协同完成涉及延长各种航天器寿命、提升执行任务能力的一类空间操作，我国也正在开展延长寿命、故障修复、辅助变轨等操作的在轨服务卫星系统研究。在轨服务的任务主要包括：(1)在轨目标监测：指服务卫星通过空间交会在目标卫星附近进行绕飞或悬停，并利用可见光、红外、微波等手段对目标卫星进行成像和位姿测量，为在轨服务计划实施提供目标卫星相关信息。(2)在轨辅助变轨：指服务卫星协助目标卫星进行轨道调整。(3)在轨燃料补给：指通过补给燃料，为目标卫星提供完整的姿态和轨道控制功能。(4)在轨故障修复：指排除目标卫星的故障，恢复卫星的正常功能。(5)在轨有限装配：指通过更换或增加硬件的方式保持或增强目标卫星的能力。(6)在轨目标攻防：指针对非合作目标进行空间攻击和防御操作。

多目标星在轨服务相比于单目标星在轨服务，具有更强的工程实践意义。多星在轨服务可以整合同一类在轨服务任务，降低重复制造航天器的成本。对于大规模星座等在轨服务对象，单次服务价值并不显著，需要合理设计多星在轨服务任务，更好地实现数量巨大的卫星星座的在轨监测和维护等任务。根据不同的任务目标和需求，多星服务的对象也不同，合理的多星服务轨道设计可以有效降低任务的推进剂消耗，使得任务的成本大大降低。此外，在轨服务的任务时间也因多星服务模式而大大减少，提高了任务的效率。

航天器轨道机动交会是在轨服务的基础，已有高精度交会规划主要面向单星交会场景，需要采用高精度摄动轨道模型通过数值积分计算轨道，线性与二体模型的优化结果可以作为参考，同时也可以参与到摄动优化的迭代中。应用于多星交会问题时，由于每次交会规划结果与高精度结果都有一定差别，这个差别在多星交会任务从前往后随着时间的影响会逐渐扩散，直至导致某次后续任务的局部高精度改进不能收敛，交会规划无法实现。

如图1所示，在多星交会中，近似轨道1的出发点与HPOP轨道出发点一致，终点与HPOP轨道1有一定差别；但近似轨道2与HPOP轨道2的初始点就有差别，而终点的差别相对第一次交会明显扩大；在第三次轨道中这种差别进一步扩大。当应用于多星交会时，逐步扩大的轨道差别在航天任务中也是无法接受的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于分层优化策略的航天器多目标交会规划方法，包括：

步骤S1：配置追踪器与需要服务的各个目标器的近地圆轨道参数，在初始时刻的位置参数；计算所述各个目标器在各交会时刻的轨道参数、交会次序、交会轨道转移时间及交会后服务时间；选择交会规划的优化算法和惩罚因子；

步骤S2：对航天器多目标交会规划进行上层优化，包括以交会次序、交会轨道转移时间及交会后服务时间为设计变量，以轨道阳光角约束及光学导航传感器的阳光抑制角要求，采用罚函数法处理约束条件，利用所选择的优化算法对设计变量的最优解进行搜寻；将所述最优解代入下层优化；

步骤S3：采用基于梯度的优化算法寻优或基于近似动力学模型及约束条件估计近似解，以单次交会的机动执行时刻与机动冲量为设计变量对航天器多目标交会规划进行下层优化，计算得到每次轨道转移的最优脉冲消耗作为局部规划结果；