一种基于遗传算法的卫星轨控发动机安装优化方法技术

一种基于遗传算法的卫星轨控发动机安装优化方法，具体步骤如下：（1）根据控制系统对卫星布局的要求，确定发动机安装优化的目标函数；（2）根据发动机几何参数和安装要求，确定发动机安装优化的约束函数；（3）使用MATLAB遗传算法工具箱进行发动机安装参数优化。本发明专利技术进一步减小变轨期间的干扰力矩，从而节省卫星燃料，提高卫星在轨寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于遗传算法的卫星轨控发动机安装优化方法
本专利技术涉及一种卫星轨控发动机的安装优化方法，特别是一种基于遗传算法的卫星轨控发动机安装优化方法。
技术介绍
卫星的轨控发动机是其完成变轨策略的主要设备。发动机安装在与卫星中心承力筒相连的发动机支架上。由于推力矢量偏差及卫星质心与机械坐标系中心在横向有偏差等因素的影响，导致发动机具有推力偏斜特性，发动机点火期间会产生对卫星的干扰力矩。在卫星总装阶段，卫星总体根据发动机研制单位的热标数据，需提出对发动机的安装要求。发动机安装时追求的目标主要是使得卫星变轨期间的干扰力矩越小越好。而干扰力矩的大小与发动机热标参数和卫星变轨期间的整星质心相关。设定卫星的发动机安装只考虑发动机热标参数，根据热标参数提出对发动机推力主轴与卫星机械坐标系三个方向轴的夹角。尚未考虑卫星质心对干扰力矩的影响，这样就可能存在发动机干扰力矩不是最小、安装参数不是最优的问题，甚至可能出现发动机角度调整后比调整前的干扰力矩更大的问题。所以，有必要研究一种确定发动机安装参数的优化方法。即使因为担心发动机热标可能存在反向的可能，而将发动机调整参数有所缩减，通过本专利技术提供方法，设计师也能知道所用的发动机所能产生的最小干扰力矩。由于发动机安装参数的调整与发动机受到的空间约束有关，且空间约束为非线性约束，无法通过简单的计算找到最优的调整参数，所以，本专利技术借助遗传算法来解决这一单目标非线性优化问题。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于遗传算法的卫星轨控发动机安装优化方法，本专利技术减小了变轨期间的干扰力矩，节省卫星燃料，提高卫星在轨寿命。本专利技术在确定发动机安装参数时，综合考虑发动机热标参数和卫星质心两方面的因素，以达到干扰力矩最小这一优化目标。即使不考虑卫星质心，即将卫星质心设定在理想的（0，0，H）（H为卫星在机械坐标系Z向的质心值）处，也能给出比现有的发动机安装参数确定方法更优的发动机安装参数。本专利技术的技术解决方案是：由于发动机安装时受到的约束条件较多，且为非线性约束，所以本专利技术将遗传算法的优化引入到发动机的安装参数的确定中，研究在满足约束条件的前提下，如何获取发动机安装参数，以使得目标函数最优的问题。具体实现步骤如下：（1）根据卫星控制系统对卫星布局的要求，确定发动机安装优化的目标函数；发动机安装优化的目标函数为：发动机安装优化的目标函数中：[fxfyfz]=F[sin(α)sin(γ)-sin(α)cos(γ)cos(α)]R[pxpypz]=[δsin(β)-δcos(β)h]R+[λ1λ2λ3]“min”表示最小值；[TxTyTz]—绕卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴、OscZsc轴3个坐标轴的干扰力矩，单位为Nm；[fxfyfz]—发动机推力矢量在卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴、OscZsc轴三个方向的推力分量，单位为N；[pxpypz]—在卫星机械坐标系下的发动机推力作用点坐标值，单位为mm；[xCyCzC]—卫星相对机械坐标系的质心，单位为mm；F—推力器的理论推力，单位为N；R—发动机相对卫星机械坐标系的旋转矩阵；α1、α2、α3—分别为发动机安装调整时，发动机绕卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴和OscZsc轴的旋转角度，单位为度；λ1、λ2、λ3—分别为发动机安装调整时，发动机沿卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴和OscZsc轴的平移量，单位为mm；α—推力矢量偏斜角，以X轴为基准，单位度；β—推力矢量横移位置角，以Y轴为基准，由发动机顶视方向逆时针为正，单位度；γ—推力矢量偏斜位置角，以Y轴为基准，由发动机顶视方向逆时针为正，单位度；δ—推力矢量横移量，即距离发动机坐标系原点的距离，单位mm。（2）根据发动机几何参数和安装要求，确定发动机安装优化的约束函数；发动机安装优化的约束函数为：max(Piz)≤MAXzi=1,2,...,6min(Piz)≤MINzi=1,2,...,6发动机安装优化的约束函数中：Hix=r1cos(θi)i=1,2,3Hiy=r1sin(θi)i=1,2,3[PixPiyPiz]=[r2cos(ψi)r2sin(ψi)h]R+[λ1λ2λ3]i=1,2,...,6ψi∈[θj,(θj+θ10)]i=1,2,...,6;j=4,5,...,9“max”表示最大值；d—发动机安装法兰与发动机支架之间连接的螺钉的公称直径，单位为mm；θi（i=1,2,3）—发动机安装法兰与发动机支架连接的3个安装孔中心与发动机坐标系原点连线和发动机坐标系+Z轴的张角，单位为度；θj（j=4,5,…,9）—发动机安装法兰上的6个凸耳右侧与发动机坐标系原点连线和发动机坐标系+Z轴的张角，单位为度；Hix（i=1,2,3）、Hiy（i=1,2,3）—分别为发动机未旋转和平移时，发动机安装法兰与发动机支架之间3个连接孔的中心在卫星机械坐标系下的X、Y坐标值，单位为mm；r1—发动机安装法兰与发动机支架之间连接孔中心所在圆的半径，单位为mm；D—发动机安装法兰上的3个安装孔直径，单位为mm；C'ix_up、C'iy_up、C'iz_up—分别为发动机旋转和平移后，发动机安装法兰上表面的3个安装孔的圆周上的任意一点在卫星机械坐标系下的X、Y、Z坐标值，单位为mm，i=1,2,3；C'ix_down、C'iy_down、C'iz_down—分别为发动机旋转和平移后，发动机安装法兰下表面的3个安装孔的圆周上的任意一点在卫星机械坐标系下的X、Y、Z坐标值，单位为mm，i=1,2,3；h—发动机未旋转和平移时，发动机安装法兰的上表面在卫星机械坐标系下的Z坐标值，单位为mm；l—发动机安装法兰的厚度，单位为mm；κ∈[0°,360°]；Pix、Piy、Piz—分别为发动机安装调整（旋转和平移）后，发动机安装法兰上6个凸耳的外缘在卫星机械坐标系下的X、Y、Z坐标值，单位为mm，i=1,2,…,6；MAXz—发动机安装支架法兰盘下表面在卫星机械坐标系下的Z向坐标值，单位为mm；MINz—发动机与发动机支架连接处的平垫片的上表面在卫星机械坐标系下的Z向坐标值，单位为mm；ψi—发动机安装法兰上6个凸耳的两边相对卫星机械坐标系OscXsc的角度，单位为度，i=1,2,…,6；θ10—发动机安装法兰上每个凸耳的左侧和右侧之间的张角，单位为度；r2—发动机安装法兰凸耳外缘所在圆的半径，单位为mm。（3）使用MATLAB遗传算法工具箱进行发动机安装参数优化。本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：（1）本专利技术针对发动机安装及调整要求中不考虑纵向调整，且不考虑卫星质心的情况，提出一种综合考虑全部因素的发动机安装优化方法。该方法以卫星变轨期间的干扰力矩最小为优化目标，以发动机安装时的几何约束为约束条件，使用遗传算法对发动机安装参数选取这一单目标多约束非线性优化问题进行了求解。（2）通过对设定发动机参数的仿真，证明该方法比目前的发动机安装参数确认方法可以更进一步减小变轨期间的干扰力矩，从而节省卫星燃料，提高卫星在轨寿命。附图说明图1为发动机本体坐标系与卫星机械坐标系示意图；图2为发动机在发动机支架上的安装示意图；图3为发动机与发动机支架之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于遗传算法的卫星轨控发动机安装优化方法，其特征在实现步骤如下：（1）根据卫星控制系统对卫星布局的要求，确定发动机安装优化的目标函数；发动机安装优化的目标函数为：Tsc=minTx2+Ty2+Tz2]]>发动机安装优化的目标函数中：TxTyTz=(-fy*(pz-xc)+fz*(py-yc))/1000(-fz*(px-xc)+fx*(pz-zc))/1000(-fx*(py-xc)+fy*(px-xc))/1000]]>[fx fy fz]=F[sin(α)sin(γ) ‑sin(α)cos(γ) cos(α)]R[px py pz]=[δsin(β) ‑δcos(β) h]R+[λ1 λ2 λ3]R=1000cos(α1)sin(α1)0-sin(α1)cos(α1)cos(α2)0-sin(α2)010sin(α2)0cos(α2)cos(α3)sin(α3)0-sin(α3)cos(α3)0001]]>“min”表示最小值；[Tx Ty Tz]—绕卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴、OscZsc轴3个坐标轴的干扰力矩；[fx fy fz]—发动机推力矢量在卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴、OscZsc轴三个方向的推力分量；[px py pz]—在卫星机械坐标系下的发动机推力作用点坐标值；[xC yC zC]—卫星相对机械坐标系的质心；F—推力器的理论推力；R—发动机相对卫星机械坐标系的旋转矩阵；α1、α2、α3—分别为发动机安装调整时，发动机绕卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴和OscZsc轴的旋转角度；λ1、λ2、λ3—分别为发动机安装调整时，发动机沿卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴和OscZsc轴的平移量；α—推力矢量偏斜角，以X轴为基准；β—推力矢量横移位置角，以Y轴为基准，由发动机顶视方向逆时针为正；γ—推力矢量偏斜位置角，以Y轴为基准，由发动机顶视方向逆时针为正；δ—推力矢量横移量，即距离发动机坐标系原点的距离；（2）根据发动机几何参数和安装要求，确定发动机安装优化的约束函数；发动机安装优化的约束函数为：min((Cix_up′-Hix)2+(Ciy_up′-Hiy)2)≥(d2)2,i=1,2,3]]>min((Cix_down′-Hix)2+(Ciy_down′-Hiy)2)≥(d2)2,i=1,2,3]]>max(Piz)≤MAXz  i=1,2,...,6min(Piz)≤MINz   i=1,2,...,6发动机安装优化的约束函数中：Hix=r1cos(θi)   i=1,2,3Hiy=r1sin(θi)   i=1,2,3Cix_up′Ciy_up′Ciz_up′=Hix+D2cos(κ)Hiy+D2sin(κ)hR+λ1λ2λ3,i=1,2,3]]>Cix_down′Ciy_down′Ciz_down′=Hix+D2cos(κ)Hiy+D2sin(κ)h-lR+λ1λ2λ3,i=1,2,3]]>[Pix Piy Piz]=[r2cos(ψi) r2sin(ψi) h]R+[λ1 λ2 λ3]i=1,2,...,6；ψi∈[θj,(θj+θ10)]i=1,2,...,6;j=4,5,...,9；“max”表示最大值；d—发动机安装法兰与发动机支架之间连接的螺钉的公称直径；θi—发动机安装法兰与发动机支架连接的3个安装孔中心与发动机坐标系原点连线和发动机坐标系+Z轴的张角，i=1,2,3；θj—发动机安装法兰上的6个凸耳右侧与发动机坐标系原点连线和发动机坐标系+Z轴的张角，j=4,5,…,9；Hix、Hiy—分别为发动机未旋转和平移时，发动机安装法兰与发动机支架之间3个连接孔的中心在卫星机械坐标系下的X、Y坐标值，i=1,2,3；r1—发动机安装法兰和发动机支架之间连接孔中心所在圆的半径；D—发动机安装法兰上的3个安装孔直径；C'ix_up、C'iy_up、C'iz_up—分别为发动机旋转和平移后，发动机安装法兰上表面的3个安装孔的圆周上的任意一点在卫星机械坐标系下的X、Y、Z坐标值，i=1,2,3；C'ix_down、C'iy_down、C'iz_down—分别为发动机旋转和平移后，发动机安装法兰下表面的3个安...

【技术特征摘要】
1.一种基于遗传算法的卫星轨控发动机安装优化方法，其特征在实现步骤如下：(1)根据卫星控制系统对卫星布局的要求，确定发动机安装优化的目标函数；发动机安装优化的目标函数为：发动机安装优化的目标函数中：[fxfyfz]＝F[sin(α)sin(γ)-sin(α)cos(γ)cos(α)]R[pxpypz]＝[δsin(β)-δcos(β)h]R+[λ1λ2λ3]“min”表示最小值；[TxTyTz]—绕卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴、OscZsc轴3个坐标轴的干扰力矩；[fxfyfz]—发动机推力矢量在卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴、OscZsc轴三个方向的推力分量；[pxpypz]—在卫星机械坐标系下的发动机推力作用点坐标值；[xCyCzC]—卫星相对机械坐标系的质心；F—推力器的理论推力；R—发动机相对卫星机械坐标系的旋转矩阵；α1、α2、α3—分别为发动机安装调整时，发动机绕卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴和OscZsc轴的旋转角度；λ1、λ2、λ3—分别为发动机安装调整时，发动机沿卫星机械坐标系OscXsc轴、OscYsc轴和OscZsc轴的平移量；α—推力矢量偏斜角，以发动机坐标系X轴为基准；β—推力矢量横移位置角，以发动机坐标系Y轴为基准，由发动机顶视方向逆时针为正；γ—推力矢量偏斜位置角，以发动机坐标系Y轴为基准，由发动机顶视方向逆时针为正；δ—推力矢量横移量，即距离发动机坐标系原点的距离；(2)根据发动机几何参数和安装要求，确定发动机安装优化的约束函数；发动机安装优化的约束函数为：max(Piz)≤MAXzi＝1,2,...,6min(Piz)≤MINzi＝1,2,...,6发动机安装...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐春生，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11