一种受摄条件下的兰伯特转移轨道确定方法和系统技术方案

本发明专利技术提出一种受摄条件下的兰伯特转移轨道确定方法和系统。其中，方法包括：将轨道转移结束后，航天器空间位置与期望空间位置的距离最小作为优化目标，通过粒子群算法的启发式搜索方法，寻找最优的转移时刻速度矢量；在算法建模中，将航天器转移时刻的速度矢量映射为粒子群算法中的粒子位置矢量。由于采用粒子群算法，本发明专利技术提出的方案寻优效率较高，能够较快完成求解收敛，同时可以通过多次求解降低由于初始解落入局部最优产生的过早收敛问题。另外该方案在航天器轨道动力学模型中考虑了多种摄动力因素的影响，得到的转移轨道能够使航天器更高精度得到达期望位置。天器更高精度得到达期望位置。天器更高精度得到达期望位置。

【技术实现步骤摘要】
一种受摄条件下的兰伯特转移轨道确定方法和系统


[0001]本专利技术属于航天器轨道机动领域，尤其涉及一种受摄条件下的兰伯特转移轨道确定方法和系统。

技术介绍

[0002]随着航天技术的发展，越来越多样类型的航天器的被发射到太空中，被用于执行遥感、通信、导航、空间服务等各类空间任务。在执行空间任务过程中，时常需要根据任务要求，对航天器的空间位置进行调整，需要给出航天器的转移轨道。在航天器空间位置转移中，有一类重要的问题是使给定航天器初始空间位置p1、目标空间空间p2，以及调整时间Δt，确定航天器从初始位置到目标位置的转移轨道，这类问题被称为兰伯特(Lambert)问题，相应的转移轨道被称为兰伯特转移轨道，如图2所示。图中F为航天器飞行中心引力天体，航天在转移之前是围绕在原始轨道运行的，航天器运行到p1点时，要求脱离原始轨道，并在转移时间Δt后运动到p2，求解兰伯特问题就是要给出在转移时间Δt给定的条件下，确定转移轨道。
[0003]由于航天器在太空中飞行会受到各种力的作用，因此对兰伯特问题的求解与采用的航天器受力模型有关。在航天器受力模型中，理想的受力模型是二体模型，即航天在飞行过程中仅受到中心天体的引力。在二体模型下，兰伯特问题的求解已经被解决，算法包括Gauss方法、Herrick和Liu方法、Battin方法等。
[0004]然而，航天器在围绕地球飞行过程中，除了会受到中心天体，即地球的引力外，还会受到很多其它因素的力的影响，这些因素被称为摄动力，包括地球非球形影响、大气阻力、三体引力、太阳光压、潮汐力等。在这些因素的影响下，航天器实际飞行轨迹与二体模型下给出的飞行轨道差异明显，因此二体模型下的兰伯特问题求解方法给出的转移轨道无法保证航天器在飞行给定的时间后，能够达到要求的期望位置，需要研究考虑摄动力的兰伯特问题求解方法。
[0005]针对受摄条件下的兰伯特轨道确定问题，有研究人员提出了一种考虑J2摄动力的兰伯特问题求解方法。该方法首先利用二体模型下的兰伯特求解方法，得到二体模型下的卫星转移轨道，基于得到的转移轨道，得到航天在轨道转移瞬间的飞行速度矢量v。根据航天器空间位置p1和飞行速度矢量v，在考虑J2摄动力影响下，计算出飞行Δt时间后航天的空间位置p
2int
。根据位置误差结合二体模型下的转换转移矩阵，对飞行速度矢量v进行不断调整，直到满足位置精度要求，即p2‑
p
2int
足够小。该方法的流程图如下所示。流程中的转移速度矢量更新公式为
[0006]v
i+1
＝v
i
+δv
i
，
[0007]其中v
i
是第i次迭代时的转移速度矢量，δv
i
是转移速度矢量更新值，
[0008]δv
i
＝(φ
12
)
‑1(p2‑
p
2int
)，
[0009]其中，φ
12
是二体模型的轨道位置速度转移矩阵的分量。转移矩阵
[0010][0011]其中各分量表达式为
[0012][0013][0014][0015][0016]其中I是单位矩阵，M是3x3维矩阵表达式如下，
[0017][0018]其中，μ是万有引力系数，f、g等参数是根据兰伯特时间方程求解确定的。
[0019]该方法的计算流程图如图3所示。
[0020]从图3的流程图可以看到，该方法首先利用二体模型得到转移位置p1和飞行速度矢量v的初始解，然后利用初始解对应的转移末端位置与实际要求位置的偏差，对飞行速度矢量v进行调整，当满足迭代结束条件后，得到最终的转移速度矢量，从而最终得到转移轨道。
[0021](1)注意到，该方法在迭代变量v的初始值每次求解都是固定的，即在航天器初始空间位置p1、目标空间空间p2，以及轨道转移时间Δt给定的条件下，二体模型下的转移轨道是固定，从而对应的速度矢量也是固定的，即初始迭代变量v是固定的。而受摄模型下的兰伯特轨道确定是一个非凸搜索问题，仅通过一个固定的初始解作为迭代起点往往难以得到较好的优化结果，可能因为初始解位于解空间的局部最优陷阱中，无法得到全局最优解或较优解。同时，由于问题条件给定下，迭代的初始解固定，也无法通过多次求解解决局部最优问题。
[0022](2)上述方法仅考虑了J2摄动项对航天器飞行的影响，J2摄动属于地球非球形影响项之一，地球非球形影响还包括其它阶摄动项，如J3、J4、J5等；另外，对于大气阻力、太阳光压、潮汐力等摄动力因素则没有考虑。
[0023]现有技术缺陷
[0024]最主要的缺陷该方法的迭代变量初始值在给定问题下是固定的，容易陷入局部最
优，且无法通过多次求解改善解的质量。原因如下，根据该方案流程图，该方法的迭代变量v是二体问题解对应的转移时刻速度，由于在给定航天器初始空间位置、目标空间空间，以及轨道转移时间给定的条件下，二体模型的解是固定，从而对应初始迭代变量v是固定的。对于而受摄模型下的兰伯特轨道确定问题，该问题是一个非凸搜索问题，通过一个固定的初始解容易局部最优中。由于问题条件给定下，迭代的初始解固定，也无法通过多次求解解决局部最优问题。
[0025]次要缺陷是上述方法仅考虑了J2摄动项对航天器飞行的影响，J2摄动属于地球非球形影响项之一，地球非球形影响还包括其它阶摄动项；对于大气阻力、太阳光压、潮汐力等摄动力因素则没有考虑。该方法得到的兰伯特转移轨道是J2摄动下的解，而在航天器实际飞行过程中，在多种摄动力的影响下，按该方法进行轨道转移将与目标位置仍然存在明显偏差。

技术实现思路

[0026]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种受摄条件下的兰伯特转移轨道确定方法和系统的技术方案，以解决上述技术问题。
[0027]本专利技术第一方面公开了一种受摄条件下的兰伯特转移轨道确定方法，所述方法包括：
[0028]步骤S1、在三维解空间中，有N个粒子组成一个群落，其中第i个粒子表示为一个三维的向量，即转移时刻速率矢量；对所述群落中的每个粒子，随机初始化转移时刻速度矢量和转移时刻搜索矢量；
[0029]步骤S2、加载受摄条件下的轨道预报模型；
[0030]步骤S3、对于群落中的每个粒子，基于初始转移位置p1和转移时刻速度矢量和所述轨道预报模型，计算Δt时间后的轨道预报位置，并计算所述轨道预报位置与期望位置p2的距离；
[0031]步骤S4、对于所述群落中的每个粒子，以所述轨道预报位置与期望位置p2的距离最小为最优进行搜索，对每个粒子更新，得到每个粒子的最优转移时刻速度矢量p
best
；
[0032]步骤S5、对于群落中的更新后的所有粒子，以轨道预报位置和期望位置距离最小为最优进行搜索，对粒子群更新，得到整个粒子群的最优转移时刻速度矢量g
best
，为全局极值；
[0033]步骤S6、判断当本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种受摄条件下的兰伯特转移轨道确定方法，其特征在于，基于多维粒子群算法的轨道搜索方法，所述方法包括：步骤S1、在三维解空间中，有N个粒子组成一个群落，其中第i个粒子表示为一个三维的向量，即转移时刻速率矢量；对所述群落中的每个粒子，随机初始化转移时刻速度矢量和转移时刻搜索矢量；步骤S2、加载受摄条件下的轨道预报模型；步骤S3、对于群落中的每个粒子，基于初始转移位置p1和转移时刻速度矢量和所述轨道预报模型，计算Δt时间后的轨道预报位置，并计算所述轨道预报位置与期望位置p2的距离；步骤S4、对于所述群落中的每个粒子，以所述轨道预报位置与期望位置p2的距离最小为最优进行搜索，对每个粒子更新，得到每个粒子的最优转移时刻速度矢量p
best
；步骤S5、对于群落中的更新后的所有粒子，以轨道预报位置和期望位置距离最小为最优进行搜索，对粒子群更新，得到整个粒子群的最优转移时刻速度矢量g
best
，为全局极值；步骤S6、判断当前迭代是否满足结束条件，如果满足所述结束条件，则输出对应粒子的转移时刻速度矢量，求解结束；若不满足条件，则对每个粒子，利用p
best
和g
best
，更新转移时刻速度矢量，然后再进行步骤S2至步骤S6，直到满足结束条件。2.根据权利要求1所述的一种受摄条件下的兰伯特转移轨道确定方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述随机初始化转移时刻的速度矢量的具体方法包括：根据二体问题下的兰伯特问题的解叠加随机扰动项实现随机初始化转移时刻的速度矢量。3.根据权利要求1所述的一种受摄条件下的兰伯特转移轨道确定方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述轨道预报模型包括：地球非球形摄动、三体引力摄动、潮汐力、辐射光压和大气阻力。4.根据权利要求1所述的一种受摄条件下的兰伯特转移轨道确定方法，其特征在于，在所述步骤S6中，所述结束条件包括：所述轨道预报位置与期望位置p2的距离小于门限值。5.根据权利要求4所述的一种受摄条件下的兰伯特转移轨道确定方法，其特征在于，在所述步骤S6中，所述结束条件还包括：达到迭代次数上限。6.根据权利要求1所述的一种受摄条件下的兰伯特转移轨道确定方法，其特征在于，在所述步骤S6中，所述利用p
best
和g
best
，更新转移时刻速度矢量的具体方法包括：利用所述p
best
和g
best
更新转移时刻搜索矢量；再将当前的转移时刻速度矢量与更新后的转移时刻搜索矢量求和，得到更新后的转移时刻速度矢量。7.根据权利要求6所述的一种受摄条件下的兰伯特转移轨道确定方法，其特征在于，所述利用所述p
best
和g
best
更新转移时刻搜索矢量的具体方法包括：u
ij
(+1)＝ωu
ij
+c1r1(p
ij
‑
v
ij
)+c2r2(p
gj
‑
v
ij
),i＝1,2,
…
,N,j＝1,2,3，其中，u
ij
为当前的第i个粒子的转移时刻搜索矢量的第j...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈旺，周晓，胡玉新，
申请(专利权)人：齐鲁空天信息研究院，
类型：发明
国别省市：