[发明专利]一种多航天器分布式迁移机动的序列凸优化方法

说明书

本发明公开的一种多航天器分布式迁移机动的序列凸优化方法，属于航空航天技术领域。本发明实现方法为：建立集群迁移机动的动力学模型；根据集群迁移机动的控制方式、避障、节省燃料的任务特性，建立大规模集群迁移机动问题的优化模型。通过非线性等式约束松弛将机动优化问题凸化，通过对避障约束解耦实现集群迁移机动优化问题的分解。通过数值积分将时变连续的分布式解耦的最优问题转化为凸优化的离散子问题。以凸化后的离散子问题为每一步迭代的内环节，以序列迭代逼近策略在有限步数求解得到最优的集群大规模迁移机动转移轨迹以及对应控制。本发明能够在考虑多禁忌路径约束和时间约束前提下，实现集群航天器连续推力迁移机动轨迹的在线优化。

技术领域

本发明涉及一种多航天器分布式迁移机动的序列凸优化方法，尤其涉及适用于近地大规模星群分布式机动的转移轨迹优化方法，属于航空航天技术领域。

背景技术

随着航天器功能的不断增强，整星质量变得越来越大，相应的卫星发射成本也随之增加，发射风险也在成倍的增加。面对日益复杂的多样化空间任务，航集群航天器因其灵活性、分布性、以及高容错性成为未来航天器系统的发展趋势之一。对于空间集群飞行器，不同任务模式和任务需求下，飞行器的构型存在差异，对于执行多重空间任务的集群飞行器，适应不同任务需求的构型机动规划技术是适应未来复杂航天活动的关键。例如，对于集群初始化，需要将集群卫星从初始位置部署到固定的任务构型上去；对于集群构型中子星出现失效或任务形式发生切换，整个集群需要重构，此时适应这种突发情况的集群机动规划是保证集群能够维持正常工作的前提；对于集群实施在轨任务，子星需要同步到达固定轨位，并满足相应的末速度约束等。因此，集群在一定时间和空间范围内的迁移机动快速规划是保障多航天器在轨任务实施的关键。相比于单航天器轨道机动，多航天器分布式迁移机动不仅需要考虑时间同步性，还需要考虑多星之间的避碰星间距离约束等，也即由于在集群机动过程中，多数子星需要执行一定程度的轨道机动，为了保证同步性，集群机动过程中既要保证子星之间相对距离安全，即规避碰撞风险，同时还要保证星间通信通畅。因此，轨道机动规划问题的表现出初值猜测敏感、收敛性差等难题，使得多星分布式机动的轨迹优化问题成了目前典型的航天技术难题之一。

在已发展的关于多航天器分布式迁移机动规划技术[1](参见：Wang J,Zhang J,Cao X,et al.Optimal Satellite Formation Reconfiguration Strategy Based onRelative Orbital Elements[J].Acta Astronautica,2012,76:99-114.)给出基于解析的集群迁移重构规划策略，尽管该方法通过约束拓展解决了终端状态自由和固定两种状态的燃料消耗重构问题，但其不适用于大范围连续推力迁移机动的高效优化。

在先技术[2](参见：彭海军,高强,吴志刚.最优轨迹规划方法及其平动点航天器编队均衡耗能重构应用[J].计算力学学报,2014,31(1):18-24.)提出一种以状态、协态和控制三类变量插值为核心的求解迁移机动规划问题的新方法，通过将连续时间表达的非线性最优控制问题通过变分原理转化为非线性方程组的求解，来推导得到非线性方程组显示格式的Jacobi矩阵，进而提高非线性方程组的计算效率，但该方法并未考虑星间避碰和通信约束，不适用于大规模集群任务。

发明内容

本发明公开的一种多航天器分布式迁移机动的序列凸优化方法要解决的技术问题是：提供一种通用性强的能够快速求解大规模集群航天器轨道迁移机动的轨迹快速优化方法，能够在考虑多禁忌路径约束和时间约束前提下，实现集群航天器连续推力迁移机动轨迹的在线高效率优化，提高集群航天器分布式迁移机动效率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。