本发明专利技术公开了一种深空探测全局发射窗口搜索方法,包含如下步骤:S1,确定探测目标天体的序列及探测任务的时间范围;S2,设计遗传算法对搜索个体的编码方式,以采用浮点数编码方式对发射时间和到达时间进行编码;S3,设计遗传算法的适应度函数,通过星历计算和兰伯特算法,计算整个任务所需要的速度增量,以此作为适应度函数,对遗传算法过程中产生的每个个体,计算适应度函数值,判断个体的好坏;S4,设计遗传算法的遗传操作算子,选用最优保留选择、离散重组、实数变异作为遗传操作算子,进行全局优化发射窗口。
【技术实现步骤摘要】
一种深空探测全局发射窗口搜索方法
本专利技术涉及地外天体探测轨道设计与优化技术,特别涉及一种深空探测全局发射窗口搜索方法。
技术介绍
未来深空探测任务将一次探测巨行星、小行星等多颗目标天体。巨行星、小行星等地外天体与地球的距离极远,在星际转移过程中,探测器需要提供较大的速度增量,因此需要搜寻合适的低能量星际转移窗口,降低整个任务所需的能量。而在多目标深空探测任务中,由于探测目标天体增多,通过传统的遍历搜索方法来搜索发射窗口效率极低,而且很难实现。深空探测的目标天体与地球的距离极远,在星际转移过程中,探测器需要提供较大的速度增量,因此需要搜寻合适的低能量星际转移窗口。一次深空探测任务通常会以多种探测类型探测多个目标,提高探测效率,因此转移轨道还要针对多目标进行发射窗口的全局优化设计,减少多目标转移轨道所需的速度增量,使其满足实际工程应用的约束条件。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种深空探测全局发射窗口搜索方法,能以较高的搜索效率得到多目标探测全局发射窗口,避免了传统遍历法搜索效率低下的缺点;能够全局寻优,获得满足工程实现要求的,所需速度增量最小的发射窗口。为了实现以上目的,本专利技术是通过以下技术方案实现的:一种深空探测全局发射窗口搜索方法,其特点是,该方法包含如下步骤:S1,确定探测目标天体的序列及探测任务的时间范围;S2,设计遗传算法对搜索个体的编码方式,以采用浮点数编码方式对发射时间和到达时间进行编码;S3,设计遗传算法的适应度函数,通过星历计算和兰伯特算法,计算整个任务所需要的速度增量,以此作为适应度函数,对遗传算法过程中产生的每个个体,计算适应度函数值,判断个体的好坏;S4,设计遗传算法的遗传操作算子,选用最优保留选择、离散重组、实数变异作为遗传操作算子,进行全局优化发射窗口。进一步包含:设计适应度函数的约束,所述的适应度函数的约束为转移轨道的总的速度增量必须小于发动机能够实现的最大速度增量。所述的步骤S1包含:确定探测的目标数量以及探测天体的顺序,查阅天体星历资料并获得目标天体的轨道根数;确定探测任务的时间范围作为发射窗口的搜索范围。所述的步骤S3包含:随机产生一组初始种群,设定种群规模为N,每一代种群中包含N个个体,每个个体为搜索的发射窗口;对每个个体中包含的发射窗口计算对应时间该天体的位置矢量和速度矢量;探测N个目标天体,具有N段转移轨道,根据计算得到目标天体的位置矢量和速度矢量,通过求解兰伯特算法,分别计算每一段转移轨道所需的速度增量;将每一段转移轨道所需的速度增量求和,得到整个探测任务所需的总的速度增量,作为遗传算法搜索所需的适应度函数。所述的步骤S4包含:计算每个个体的适应度函数后,通过交叉和变异改变个体内部分的基因值,产生子代个体,再计算每个子代个体的适应度,不断重复迭代收敛到最优解。本专利技术与现有技术相比,具有以下优点:针对深空探测领域多目标探测轨道优化问题,给出了全局搜索燃料最优发射窗口的方法,避免了传统遍历方法应搜索量大,计算时间长,难以搜索到最优解的问题,具有较高的搜索效率,并且考虑了工程应用的约束条件,搜索的结果可以满足实际工程应用对发动机燃料消耗的约束条件附图说明图1为本专利技术一种深空探测全局发射窗口搜索方法的流程图;图2为本专利技术遗传算法设计流程图;图3为本专利技术遗传算法搜索流程图;图4为多目标全局发射窗口优化图;图5为多目标全局发射窗口优化适应度变化图。具体实施方式以下结合附图,通过详细说明一个较佳的具体实施例,对本专利技术做进一步阐述。如图1、2所示,一种深空探测全局发射窗口搜索方法,该方法包含如下步骤:S1,确定探测目标天体的序列及探测任务的时间范围;确定探测的目标数量以及探测天体的顺序,查阅天体星历资料并获得目标天体的轨道根数;确定探测任务的时间范围作为发射窗口的搜索范围S2,设计遗传算法对搜索个体的编码方式,以采用浮点数编码方式对发射时间和到达时间进行编码;即在设定的发射窗口的搜索范围内,采用浮点数编码,以发射时间和到达目标的时间的儒略日作为搜索变量。S3,设计遗传算法的适应度函数,通过星历计算和兰伯特算法,计算整个任务所需要的速度增量,以此作为适应度函数,对遗传算法过程中产生的每个个体,计算适应度函数值,判断个体的好坏;S4,设计遗传算法的遗传操作算子,选用最优保留选择、离散重组、实数变异作为遗传操作算子,进行全局优化发射窗口。所述的步骤S3包含:随机产生一组初始种群,设定种群规模为N,每一代种群中包含N个个体,每个个体为搜索的一组变量,每个个体为搜索的发射窗口,即为每个探测目标天体的发射时间和到达时间;对每个个体中包含的发射窗口计算对应时间该天体的位置矢量和速度矢量;探测N个目标天体,具有N段转移轨道,根据计算得到目标天体的位置矢量和速度矢量,通过求解兰伯特算法,分别计算每一段转移轨道所需的速度增量;将每一段转移轨道所需的速度增量求和,得到整个探测任务所需的总的速度增量,作为遗传算法搜索所需的适应度函数。设定发射时间JD1时刻地球的位置矢量re为探测器的初始位置,速度矢量ve为探测器的初始速度,到达第一颗目标天体JD2时刻的位置矢量r2为探测器的末端位置,速度矢量v2为探测器的末端速度;即为约束条件。对于已知re、r2和Δt=JD2-JD1,可通过求解兰伯特问题,得到转移轨道的初始速度v01和末端速度vf1。第一段转移轨道所需的速度增量为Δv1=|v01-ve|+|vf1-v2|同样地,第二段转移轨道所需的速度增量为Δv2=|v02-v3|+|vf2-v4|因此,探测两个目标天体所需的总的速度增量为Δv=Δv1+Δv2以此类推,探测N个目标天体,所需的总的速度增量为Δv=Δv1+Δv2+…ΔvN将上式作为多目标全局搜索发射窗口的目标函数即适应度函数,进行遗传算法的优化。在具体实施例中,上述方法进一步包含:设计适应度函数的约束,即考虑工程应用中发动机全程开机能够实现的最大速度增量,以此作为适应度函数的约束条件,即若搜索产生的个体计算适应度得到转移轨道总的速度增量必须小于发动机能够实现的最大速度增量,否则将该个体淘汰。具体地,在实际工程应用中,搜索得到的发射窗口还需要满足燃料消耗的约束,即转移轨道的总的速度增量必须小于发动机能够实现的最大速度增量。将该条件作为适应度函数的约束。本专利技术采用小推力电推进发动机,探测器瞬时质量与发动机开机时间Δt的关系为其中,Tmax为电推进发动机最大推力,Isp为发动机比冲,g0为海平面重力加速度,探测器的初始质量m0。计算飞行时间Δt能实现的最大速度增量为假设探测器发射后,发动机一直处于开机状态,飞行时间即为开机时间Δt,根据上两式,可以得到电推进发动机能够实现的最大速度增量,而根据兰伯特问题求得的转移轨道的速度增量必须要小于电推进发动机能够实现的最大速度增量,工程上才有可能用小推力推进器实现该轨道转移,因此将该条件作为适应度函数的约束条件。若搜索得到的个体计算适应度函数,得到总的速度增量大于该约束,则将该个体淘汰。所述的步骤S4包含:遗传操作的进化过程一般需要通过三个遗传操作算子来实现。根据“适者生存”的思想选择个体,计算每个个体的适应度函数后,通过交叉和变异改变个体内部分的基因值,产生子代个体,再计算每个子代个体的适应度,不断本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种深空探测全局发射窗口搜索方法,其特征在于,该方法包含如下步骤:S1,确定探测目标天体的序列及探测任务的时间范围;S2,设计遗传算法对搜索个体的编码方式,以采用浮点数编码方式对发射时间和到达时间进行编码;S3,设计遗传算法的适应度函数,通过星历计算和兰伯特算法,计算整个任务所需要的速度增量,以此作为适应度函数,对遗传算法过程中产生的每个个体,计算适应度函数值,判断个体的好坏;S4,设计遗传算法的遗传操作算子,选用最优保留选择、离散重组、实数变异作为遗传操作算子,进行全局优化发射窗口。
【技术特征摘要】
1.一种深空探测全局发射窗口搜索方法,其特征在于,该方法包含如下步骤:S1,确定探测目标天体的序列及探测任务的时间范围;S2,设计遗传算法对搜索个体的编码方式,以采用浮点数编码方式对发射时间和到达时间进行编码;S3,设计遗传算法的适应度函数,通过星历计算和兰伯特算法,计算整个任务所需要的速度增量,以此作为适应度函数,对遗传算法过程中产生的每个个体,计算适应度函数值,判断个体的好坏;S4,设计遗传算法的遗传操作算子,选用最优保留选择、离散重组、实数变异作为遗传操作算子,进行全局优化发射窗口。2.如权利要求1所述的深空探测全局发射窗口搜索方法,其特征在于,进一步包含:设计适应度函数的约束,所述的适应度函数的约束为转移轨道的总的速度增量必须小于发动机能够实现的最大速度增量。3.如权利要求1所述的深空探测全局发射窗口搜索方法,其特征在于,所述的步骤S1包含:确定探测的目标数量以及探测天体的顺...
【专利技术属性】
技术研发人员:周誌元,王卫华,刘宇,许贤锋,朱庆华,
申请(专利权)人:上海航天控制技术研究所,
类型:发明
国别省市:上海,31
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