一种卫星集群初始轨道设计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种卫星集群初始轨道设计方法及装置，本发明专利技术采用相对偏心率及轨道倾角矢量设计方法，依据主星轨道参数、集群卫星之间的最小安全距离和最大通信距离等限制条件快速生成指定数目的集群卫星轨道，该方法生成的集群卫星在J2摄动的影响下能够保持最小轨道偏移，相对长的时间内集群卫星之间的距离限制条件不会被打破，因而不需要进行轨道调整。

A Design Method and Device for Initial Orbit of Satellite Cluster

【技术实现步骤摘要】
一种卫星集群初始轨道设计方法及装置
本专利技术专利涉及一种卫星集群飞行初始轨道设计方法及装置，根据一颗主星和设定的距离限制条件来快速生成卫星集群轨道，属于航天器集群轨道队形设计

技术介绍
随着卫星应用需求的发展，越来越多的航天任务已经不能仅靠单颗卫星来完成，而必须依赖多颗卫星联合工作才能完成。随着国际航天事业的逐步发展，新的航天任务需求被不断提出，卫星编队、卫星集群等多星系统的集群轨道飞行成为了国际航天领域的一个重要方向。不同于卫星编队需要保持特定构型，卫星集群只需要集群卫星保持在特定的距离限制范围内即可，多颗集群卫星保持在较近的空域内运行，借助星间链路实现信息交互和任务协作。卫星集群以其部署灵活、任务响应快、可靠性高、可重构性好等优点，吸引了世界各国航天部门和科研人员的关注。与传统单一独立卫星系统相比，卫星星群在可靠性、任务多样性、功能可扩展性、生产周期、系统成本等方面得到显著提高，是未来卫星技术发展的重要方向。多年来科研人员对编队飞行的相对轨道设计与控制的理论研究做了大量研究性的工作，但本质上卫星编队是对卫星集群外加星间闭路轨道控制而形成的一类特殊情况。由于星上资源和技术条件的限制，现阶段国内外航天部门仅实现了小规模编队任务。严格意义上的编队任务很难长期运行，以及新的观测现象和日益复杂的航天任务对多卫星协同工作的需求，如近年来提出的多平台多手段信息获取技术以及太空传感器网络技术等，使得卫星集群的研究工作显得颇为重要。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术中卫星集群以其部署灵活、任务响应快、可靠性高、可重构性好等优点，提供一种卫星集群初始轨道设计方法及装置。根据本专利技术的其中一方面，本专利技术解决其技术问题，所采用的技术方案是：提供了一种卫星集群初始轨道设计方法，包含如下步骤：S1、首先获取变量预设值，包括卫星之间的最小安全距离dsafe、最大距离dmax、从星数量N；S2、遗传算法的参数初始化：根据(aδek)ij∈[dsafe,dmax/2]，(aδik)ij∈[dsafe,dmax]分别随机生成一组δek与δik的值；同时设定αk的取值且αk为固定值，并设定相对偏心率矢量的角度量或者3π/2；其中，下标为k代表从星相对主星的矢量参数，a表示主星的长半轴的长度，下标ij表示的是任意卫星i与卫星j，δek表示相对偏心率，δek表对轨道倾角；S3、求解初始优化值：在考虑最小安全距离约束和目标函数前提下，采用遗传算法来求解一组δek与δik的最优值；遗传算法的数学模型如下：目标函数为：约束条件为：其中，表示任意两个卫星i、j之间的最小距离，表示相对轨道倾角矢量的角度量；S4、判断步骤S3求解所得的δek与δik是否满足最大距离约束条件如果满足则该组优化解满足集群轨道设计要求，结束参数求解过程转到S6；若不满足则转到步骤S5继续进行参数优化求解；其中，表示任意两个卫星i、j之间的最大距离；S5、将利用遗传算法求得的优化解δek及δik作为MATLAB非线性约束优化函数fmincon的初始值，继续对以上优化模型进行非线性求解，转到步骤S6；S6、利用步骤S4或S5所得的参数δek及δik，带入从星轨道根数求解过程中，求解对应的从星轨道六根数，结束。进一步地，在本专利技术的卫星集群初始轨道设计方法中，步骤S6具体包括从星在主星坐标系中的最终的相对偏心率δek、倾角矢量δik的值后计算得到相应的从星轨道参数，以下是从星轨道参数依据主星轨道参数的求解过程：(1)为形成稳定的编队绕飞，应使从星的长半轴a2与主星的长半轴a1相等，即a2＝a1；(2)从星相对主星的偏心率根据公式求得；e1表示主星的偏心率，ω1表示主星的近地点幅角；(3)从星相对主星的轨道倾角根据公式求得；i1表示主星的轨道倾角；(4)从星相对主星的升交点赤经根据公式求得；Ω1表示主星的升交点赤经；(5)从星相对主星的近地点幅角根据公式ω2＝acos((δekcosθk+e1cosω1)/e2)求得；a＝a1；(6)从星相对主星的平近点角根据公式求得；其中，M1表示主星的平近点角。进一步地，在本专利技术的卫星集群初始轨道设计方法中，根据下述公式计算得出：根据下述公式计算得出：进一步地，在本专利技术的卫星集群初始轨道设计方法中，步骤S2中αk＝0。根据本专利技术的另一方面，本专利技术为解决其技术问题，还提供了一种卫星集群初始轨道设计装置，具备计算机存储介质，用于存储计算机可行性指令，所述计算机可行性指令用于实现上述的卫星集群初始轨道设计方法。本专利技术采用相对偏心率及轨道倾角矢量设计方法，依据主星轨道参数、集群卫星之间的最小安全距离和最大通信距离等限制条件快速生成指定数目的集群卫星轨道，该方法生成的集群卫星在J2摄动的影响下能够保持最小轨道偏移，相对长的时间内集群卫星之间的距离限制条件不会被打破，因而不需要进行轨道调整。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是卫星集群初始轨道设计方法一实施例的流程图；图2是卫星集群设置界面；图3是卫星集群二维和三维显示窗口；图4是以主星为中心的局部坐标系显示窗口；图5是卫星集群距离变化趋势图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。参考图1，其为本专利技术的卫星集群初始轨道设计方法一实施例的流程图。在本实施例中，本专利技术的卫星集群初始轨道设计方法包含如下步骤：S1、首先获取变量预设值，包括卫星之间的最小安全距离dsafe、最大距离dmax、从星数量N，N为正整数；S2、遗传算法的参数初始化：根据(aδek)ij∈[dsafe,dmax/2]，(aδik)ij∈[dsafe,dmax]分别随机生成一组δek与δik的值；同时设定αk的取值且αk为固定值，如αk＝0，并设定相对偏心率矢量的角度量或者3π/2；其中，下标为k代表从星相对主星的矢量参数，a表示主星的长半轴的长度，下标ij表示的是任意卫星i与卫星j，δek表示相对偏心率，δek表对轨道倾角。其中，或者3π/2是分析J2摄动因素对任意两颗卫星轨道距离偏移的影响得出的相应的限制条件。S3、求解初始优化值：在考虑最小安全距离约束和目标函数前提下，采用遗传算法来求解一组δek与δik的最优值；遗传算法的数学模型如下：目标函数为：约束条件为：其中，表示任意两个卫星i、j之间的最小距离，表示相对轨道倾角矢量的角度量；S4、判断步骤S3求解所得的δek与δik是否满足最大距离约束条件如果满足则该组优化解满足集群轨道设计要求，结束参数求解过程转到S6；若不满足则转到步骤S5继续进行参数优化求解；其中，表示任意两个卫星i、j之间的最大距离。S5、将利用遗传算法求得的优化解δek及δik作为MATLAB非线性约束优化函数fmincon的初始值，继续对以上优化模型进行非线性求解，转到步骤S6。S6、利用步骤S4或S5所得的参数δek及δik，带入从星轨道根数求解过程中，求解对应的从星轨道六根数，结束。从星在主星坐标系中的最终的相对偏心率δek、倾角矢量δik的值后计算得到相应的从星轨道参数，以下是从星轨道参数依据主星轨道参数的求解过程：(1)为形成稳定的编队绕飞，应使从星的长半轴a2与主星的长半轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种卫星集群初始轨道设计方法，其特征在于，包含如下步骤：S1、首先获取变量预设值，包括卫星之间的最小安全距离dsafe、最大距离dmax、从星数量N；S2、遗传算法的参数初始化：根据(aδek)ij∈[dsafe，dmax/2]，(aδik)ij∈[dsafe，dmax]分别随机生成一组δek与δik的值；同时设定αk的取值且αk为固定值，并设定相对偏心率矢量的角度量

【技术特征摘要】
1.一种卫星集群初始轨道设计方法，其特征在于，包含如下步骤：S1、首先获取变量预设值，包括卫星之间的最小安全距离dsafe、最大距离dmax、从星数量N；S2、遗传算法的参数初始化：根据(aδek)ij∈[dsafe，dmax/2]，(aδik)ij∈[dsafe，dmax]分别随机生成一组δek与δik的值；同时设定αk的取值且αk为固定值，并设定相对偏心率矢量的角度量或者3π/2；其中，下标为k代表从星相对主星的矢量参数，a表示主星的长半轴的长度，下标ij表示的是任意卫星i与卫星j，δek表示相对偏心率，δek表对轨道倾角；S3、求解初始优化值：在考虑最小安全距离约束和目标函数前提下，采用遗传算法来求解一组δek与δik的最优值；遗传算法的数学模型如下：目标函数为：约束条件为：其中，表示任意两个卫星i、j之间的最小距离，表示相对轨道倾角矢量的角度量；S4、判断步骤S3求解所得的δek与δik是否满足最大距离约束条件如果满足则该组优化解满足集群轨道设计要求，结束参数求解过程转到S6；若不满足则转到步骤S5继续进行参数优化求解；其中，表示任意两个卫星i、j之间的最大距离；S5、将利用遗传算法求得的优化解δek及δik作为MATLAB非线性约束优化函数fmincon的初始值，继续对以上优化模型进行非线性求解，转到步骤S6；S6、利用步骤S4或S...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴光明，吴焕芹，王茂才，彭雷，宋志明，陈晓宇，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北,42