面向月球车导航定位的月球导航卫星星座设计与优化方法技术

一种基于遗传算法的月球导航卫星星座设计与优化方法，其适用于月球导航卫星星座的建立与优化、月面月球车的导航定位。其步骤为1)根据月球物理特性确定MLO轨道及月球研究区域基本信息。2)利用研究区域对设计星座的可见星数和GDOP值确定所设计轨道的优劣。3)利用改进的遗传算法对HEO轨道参数进行优化。4)利用降低精度的遍历搜索对遗传算法得到的结果进行验证，保证结果的准确性。这种方法证明了遗传算法在星座设计中具有很高的可用性，优化后的星座提高了月球车在月球南极附近的导航与定位精度。

【技术实现步骤摘要】
面向月球车导航定位的月球导航卫星星座设计与优化方法
本专利技术涉及一种面向月球车导航定位的月球导航卫星星座设计与优化方法，尤其适用于导航领域中给定卫星数目导航卫星的卫星轨道参数全局求解与优化。
技术介绍
月球车导航定位方式主要采用降落相机、惯性测量单元等有效载荷，其定位的方式是相对定位，具有误差累积的缺点，使得月球车不能长时间、长距离、以较快速度在月面勘察或作业。为了解决保证月球车在月面具有高精度的位置和速度信息，需要使月球车具有持续的、高可靠性的绝对定位能力。目前，月球车广泛使用的绝对定位方式为天文导航，即借助地球、太阳和其它恒星的观测信息进行定向定位，但是在月球的自转和公转时，月球车所参考某一天体的可见性不是一成不变，同时由于精度较低等原因，天文导航常不能单独作为月球车导航定位的方法。由于月球距离地球较远，广泛应用于地面载体绝对定位的地球轨道导航卫星在月面将难以使用，陈雷等使用GPS、BDS、Galileo、GLONASS四系统联合方式对月球轨道探测器进行定轨，模拟表明可见星数较少、接收功率较低、可用时段较短，即可用性较差。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向月球车导航定位的月球导航卫星轨道参数设计与优化方法，其特征在于步骤如下：/n步骤1：根据月球探测的具体目标及未来月球探测的主要方向在月球地表选择一片研究区域，获取该研究区域的基本信息，选择研究区域内任意一点作为观测点，然后根据月球物理特性设定围绕月球的导航卫星的轨道信息，并利用导航卫星的轨道信息设计初始星座，导航卫星的轨道信息包括轨道月球卫星的轨道周期、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点角矩和偏近点角，观测点的位置信息；/n步骤2：利用研究区域对所的可见星数和一周期内平均几何精度因子GDOP值的大小确定所设计月球导航卫星星座的优劣，一周期内平均GDOP值越小表明设计的星座越优，根...

【技术特征摘要】
1.一种面向月球车导航定位的月球导航卫星轨道参数设计与优化方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：根据月球探测的具体目标及未来月球探测的主要方向在月球地表选择一片研究区域，获取该研究区域的基本信息，选择研究区域内任意一点作为观测点，然后根据月球物理特性设定围绕月球的导航卫星的轨道信息，并利用导航卫星的轨道信息设计初始星座，导航卫星的轨道信息包括轨道月球卫星的轨道周期、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点角矩和偏近点角，观测点的位置信息；
步骤2：利用研究区域对所的可见星数和一周期内平均几何精度因子GDOP值的大小确定所设计月球导航卫星星座的优劣，一周期内平均GDOP值越小表明设计的星座越优，根据一周期内平均GDOP值所确定的月球导航卫星轨道参数作为最优的轨道参数，求取该最优值的算法为改进的遗传算法，遗传算法的具体模型是
minf(x)
s.t.g(x)≤0
其中f(x)为目标函数，g(x)为约束函数，x为待优化参数矩阵，表示为：



利用遗传算法在满足约束函数g(x)的条件下求取小值目标函数f(x)；
根据所选研究区域的地理位置确定约束函数，约束函数是待优化参数的取值范围，待优化参数包括高椭圆轨道卫星HEO的轨道参数包括高椭圆轨道卫星的轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经和真近点角；
步骤3：对传统遗传算法进行改进，初始化种群代码后对种群适应度评价，然后将遗传算法中的“选择”、“交叉”、“变异”算子改进为“随机竞争选择”、“两点交叉”、“概率自调整变异”，以便更快迭代出准确结果，然后判断种群中是否为相同个体，利用改进后的遗传算法对HEO轨道参数进行优化：
步骤4：利用降低精度的遍历搜索对改进的遗传算法得到的结果进行验证，保证结果的正确性：利用改进的遗传算法对步骤3获得的轨道参数进行计算，从而计算出观测点对所有星座在一个周期内可见星数、平均GDOP值和最大GDOP值，若计算出的见星数不足4颗则排除当前星座，只保留可见星数大于或等于4颗、平均GDOP值小于5、最大GDOP值小于10的星座，最终得出全局最优的月球导航卫星轨道的开普勒六参数。


2.根据权利要求1所述的面向月球车导航定位的月球导航卫星轨道参数设计与优化方法，其特征在于利用改进后的遗传算法对HEO轨道参数进行优化，具体步骤为：
①在约束函数范围内随机生成多组月球导航卫星星座的轨道参数{x1,x2,x3,…,xn}，每组参数唯一确定一个卫星星座，根据初始的轨道参数计算出步骤1选定的观测点对每个星座观测一个观察周期的平均GDOP值大小；
②根据观测点对每个星座的GDOP值大小计算目标函数值；
③以目标函数值大小为依据对约束函数范围内随机生成的多组代求参数进行选择、交叉、变异计算，得到新的多组代求轨道参数，并根据新的轨道参数计算出观测点一周期的平均GOP值；
④若x1至xn均相同，则计算结束，否则返回②，直到所有组轨道参数相同为止，此时所有组参数均是最优参数；根据结果优劣进行适当调整：交叉概率、变异概率和遗传...

【专利技术属性】
技术研发人员：段亚博，李怀展，张克非，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32