一种基于正切初值的最优共面转移搜索方法技术

一种基于正切初值的最优共面转移搜索方法，本发明专利技术涉及基于正切初值的最优共面转移搜索方法。本发明专利技术的目的是为了解决现有方法受优化变量的限制，计算时间较长，求解效率较低，难于应对大规模的轨道转移需求的问题。过程为：一、完成脉冲优化的初始条件设置；二、将推力方向限制在速度正切方向，设定优化指标为燃料最优，利用遗传算法，对正切脉冲燃料最优解所需要优化的2n

【技术实现步骤摘要】
一种基于正切初值的最优共面转移搜索方法


[0001]本专利技术涉及基于正切初值的最优共面转移搜索方法。

技术介绍

[0002]航天器的轨道动力学是航天工程的基础科学。航天器的轨道设计是保证航天器工作任务顺利执行的关键。自人类进入太空时代以来，轨道设计理论迅速发展，相关方法和技术得到大量实际工程的验证。轨道转移是轨道设计的一种基本问题，是指航天器主动地从原有轨道经过机动过程转移到目标轨道，通常考虑燃料消耗、转移时间、控制精度等设计指标。
[0003]目前，在轨卫星数量越来越多，转移任务的轨道设计需求随之增长。这对转移任务的求解效率提出了更高要求。在求解燃料最优转移轨道时，通常根据任务所要求的脉冲数，通过遗传算法等全局搜索算法，求得全局最优脉冲转移方案。但是传统方法的受优化变量的限制(3n
‑
4个优化变量)，计算时间较长，求解效率较低，难于应对大规模的轨道转移需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有方法受优化变量的限制(3n
‑
4个优化变量)，计算时间较长，求解效率较低，难于应对大规模的轨道转移需求的问题，而提出一种基于正切初值的最优共面转移搜索方法。
[0005]一种基于正切初值的最优共面转移搜索方法具体过程为：
[0006]步骤一、完成脉冲优化的初始条件设置：
[0007]根据航天器初始轨道参数、目标轨道参数以及任务要求的脉冲数n，设置遗传算法的迭代次数、种群数量参数；
[0008]步骤二、遗传算法求解正切脉冲全局最优解：
[0009]基于步骤一，将推力方向限制在速度正切方向，设定优化指标为燃料最优，利用遗传算法，对正切脉冲燃料最优解所需要优化的2n
‑
3个变量进行全局搜索，得到正切脉冲条件下的全局燃料最优解；
[0010]步骤三、完成fmincon算法的初始化：
[0011]将遗传算法得到的正切脉冲条件下的全局最优解每次脉冲的径向值设置为0后再代入fmincon算法作为初始猜测；
[0012]步骤四、fmincon算法求解自由方向脉冲的局部最优解：
[0013]由步骤一中给出的初始条件，将脉冲方向限制在轨道平面内，设定优化指标为燃料最优，利用fmincon算法，对3n
‑
4个优化变量进行局部优化，求得自由方向脉冲条件下的局部燃料最优解。
[0014]本专利技术的有益效果为：
[0015]本专利技术提出了一种基于正切脉冲初始猜测的共面轨道转移燃料最优快速搜索算
法。正切脉冲是指推力方向与速度方向共线的脉冲，在工程上有易于实现、安全性高、求解方便、能量近似最优的特点，正切方向是改变轨道能量最快的推力方向。该算法通过搜索正切脉冲的全局最优解，利用正切脉冲优化变量少(2n
‑
3个优化变量)、燃料近似最优的特点，有效提高了计算效率，并以此解作为局部优化算法的初始猜测，进而采用局部优化算法得到最终解，保证燃料最优的同时节省了计算时间。
[0016]在本专利技术中，先直接限定脉冲为正切脉冲，从而减少优化变量，得到正切条件下的全局最优解后，以此解作为局部优化算法的初始猜测，进而采用局部优化算法得到最终解。该算法利用了正切脉冲优化变量少的特点，有效提高了计算效率，可与原来的自由脉冲全局搜索方法收敛到同一组燃料最优解，节省了计算时间，对于任意数量的脉冲均可使用。
附图说明
[0017]图1为基于正切初值的共面轨道转移燃料最优搜索算法流程图；
[0018]图2为传统方法求解共面轨道转移燃料最优流程图；
[0019]图3为轨道转移过程示意图；
[0020]图4为两脉冲燃料对比图；
[0021]图5为三脉冲燃料对比图。
具体实施方式
[0022]具体实施方式一：本实施方式一种基于正切初值的最优共面转移搜索方法具体过程为：
[0023]步骤一、完成脉冲优化的初始条件设置：
[0024]根据航天器初始轨道参数、目标轨道参数以及任务要求的脉冲数n，设置遗传算法的迭代次数、种群数量等参数；
[0025]步骤二、遗传算法求解正切脉冲全局最优解：
[0026]基于步骤一，将推力方向限制在速度正切方向，设定优化指标为燃料最优，利用遗传算法，对正切脉冲燃料最优解所需要优化的2n
‑
3个变量进行全局搜索，得到正切脉冲条件下的全局燃料最优解；
[0027]步骤三、完成fmincon算法的初始化：
[0028]根据脉冲数等初始条件，合理设置fmincon算法的最大迭代次数，收敛误差限等参数，以保证收敛精度达到仿真要求将遗传算法得到的正切脉冲条件下的全局最优解每次脉冲的径向值设置为0后再代入fmincon算法作为初始猜测；可以调高fmincon算法的最大迭代次数，并合理设置收敛条件，以得到符合收敛条件的最优解；
[0029]步骤四、fmincon算法求解自由方向脉冲的局部最优解：
[0030]由步骤一中给出的初始条件，将脉冲方向限制在轨道平面内，设定优化指标为燃料最优，利用fmincon算法，对3n
‑
4个优化变量进行局部优化，求得自由方向脉冲条件下的局部燃料最优解。
[0031]具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中完成脉冲优化的初始条件设置：
[0032]根据航天器初始轨道参数、目标轨道参数以及任务要求的脉冲数n，设置遗传算法
的迭代次数、种群数量等参数；
[0033]具体过程为：
[0034]初始时刻航天器的轨道参数在J2000地心惯性坐标系下给出，航天器的初始轨道参数包括：半长轴a0、离心率e0、轨道倾角i0、升交点赤经Ω0、近心点角距ω0；
[0035]目标轨道参数包括：半长轴a
f
、离心率e
f
、轨道倾角i
f
、升交点赤经Ω
f
、近心点角距ω
f
；其中，轨道倾角和升交点赤经应与初始时刻航天器的相同，i0＝i
f
，Ω0＝Ω
f
，即航天器的初始轨道与目标轨道满足共面条件；
[0036]初始条件中初始轨道和目标轨道离心率较大时，会出现正切脉冲的全局最优解与自由方向脉冲全局最优解差距较大的情况，即在正切脉冲全局最优解施加脉冲的地点，不在方向自由脉冲全局最优解施加脉冲的地点附近，用本专利技术中的方法存在一定可能性得到一个局部最优解；遗传算法的种群数量和迭代次数应合理设置以保证收敛性与收敛速度；
[0037]在本专利技术的全流程中所采用的动力学模型均为二体模型，即不考虑地球非球形摄动、太阳光压、大气阻力等摄动因素；
[0038][0039][0040]其中，μ表示地球的引力常数，r和v分别表示J2000地心惯性坐标系下航天器的位置矢量和速度矢量，|r|表示相应位置矢量的大小；表示r的一阶导数，表示v的一阶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于正切初值的最优共面转移搜索方法，其特征在于：所述方法具体过程为：步骤一、完成脉冲优化的初始条件设置：根据航天器初始轨道参数、目标轨道参数以及任务要求的脉冲数n，设置遗传算法的迭代次数、种群数量参数；步骤二、遗传算法求解正切脉冲全局最优解：基于步骤一，将推力方向限制在速度正切方向，设定优化指标为燃料最优，利用遗传算法，对正切脉冲燃料最优解所需要优化的2n
‑
3个变量进行全局搜索，得到正切脉冲条件下的全局燃料最优解；步骤三、完成fmincon算法的初始化：将遗传算法得到的正切脉冲条件下的全局最优解每次脉冲的径向值设置为0后再代入fmincon算法作为初始猜测；步骤四、fmincon算法求解自由方向脉冲的局部最优解：由步骤一中给出的初始条件，将脉冲方向限制在轨道平面内，设定优化指标为燃料最优，利用fmincon算法，对3n
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4个优化变量进行局部优化，求得自由方向脉冲条件下的局部燃料最优解。2.根据权利要求1所述一种基于正切初值的最优共面转移搜索方法，其特征在于：所述步骤一中完成脉冲优化的初始条件设置：根据航天器初始轨道参数、目标轨道参数以及任务要求的脉冲数n，设置遗传算法的迭代次数、种群数量参数；具体过程为：初始时刻航天器的轨道参数在J2000地心惯性坐标系下给出，航天器的初始轨道参数包括：半长轴a0、离心率e0、轨道倾角i0、升交点赤经Ω0、近心点角距ω0；目标轨道参数包括：半长轴a
f
、离心率e
f
、轨道倾角i
f
、升交点赤经Ω
f
、近心点角距ω
f
；其中，轨道倾角和升交点赤经应与初始时刻航天器的相同，i0＝i
f
，Ω0＝Ω
f
，即航天器的初始轨道与目标轨道满足共面条件；采用的动力学模型为二体模型，即不考虑地球非球形摄动、太阳光压、大气阻力摄动因素；素；其中，μ表示地球的引力常数，r和v分别表示J2000地心惯性坐标系下航天器的位置矢量和速度矢量，|r|表示位置矢量的大小；表示r的一阶导数，表示v的一阶导数。3.根据权利要求2所述一种基于正切初值的最优共面转移搜索方法，其特征在于：所述步骤二中遗传算法求解正切脉冲全局燃料最优解：基于步骤一，将推力方向限制在正切方向，设定优化指标为燃料最优，利用遗传算法，对正切脉冲燃料最优解所需要优化的2n
‑
3个变量进行全局搜索，得到正切脉冲条件下的全局燃料最优解；具体过程为：步骤二一、假设脉冲数量为n，得到燃料最优解所需要优化的状态变量数量至少为2n
‑
3个，选取待优化状态变量为X＝[θ1,θ2,...,θ
n
‑1,Δv1,Δv2,...,Δv
n
‑2]；
其中，θ
i
表示第i次脉冲时航天器所在位置与初始轨道升交点矢径方向OX之间的夹角，取值范围在[0,2π]；Δv
i
为第i次脉冲的大小，取值范围设置为[
‑
10,10]，以与原速度方向同向为正，单位为km/s；步骤二二、根据初始轨道参数[a0,e0,i0,Ω0,ω0]和待优化状态变量进行轨道递推，轨道递推过程表示如下：由初始轨道参数和θ1可以得到第一次施加脉冲前航天器在θ1的轨道六根数[a1,e1,i1,Ω1,ω1,f1]，其中前五个轨道参数与初始轨道参数相同，即满足a1＝a0、e1＝e0、i1＝i0、Ω1＝Ω0、ω1＝ω0，真近点角f1＝θ1‑
ω1；通过在θ1处施加脉冲前的轨道六根数和脉冲大小Δv1求解第一次施加脉冲后在θ1处的轨道六根数[a1′
,e1′
,i1′
,Ω1′
,ω1′
,f1′
]；步骤二三、对于轨道六根数的前五项，有a1′
＝a2、e1′
＝e2、i1′
＝i2、Ω1′
＝Ω2、ω1′
＝ω2；通过θ2可求得f2＝θ2‑
ω2；由此可得施加第二次脉冲Δv2前的轨道六根数[a2,e2,i2,Ω2,ω2,f2]，通过在θ2处施加脉冲前的轨道六根数和脉冲Δv2求解第二次施加脉冲后在θ2处的轨道六根数[a2′
,e2′
,i2′
,Ω2′
,ω2′
,f2′
]；直到得到在θ
n
‑2处施加脉冲Δv
n
‑2后的轨道参数[a
n
‑2′
,e
n
‑2′
,i
n
‑2′
,Ω
n
‑2′
,ω
n
‑2′
,f
n
‑2′
]，通过已知的目标轨道的轨道参数[a
f
,e
f
,i
f
,Ω
f
,ω
f
]，以及待优化的状态变量中的θ
n
‑1，求得最后两次正切脉冲的大小Δv
n
‑1，Δv
n
。4.根据权利要求3所述一种基于正切初值的最优共面转移搜索方法，其特征在于：所述步骤二二中根据初始轨道参数[a0,e0,i0,Ω0,ω0]和待优化状态变量可进行轨道递推，轨道递推过程表示如下：由初始轨道参数和θ1可以得到第一次施加脉冲前航天器在θ1的轨道六根数[a1,e1,i1,Ω1,ω1,f1]，其中前五个轨道参数与初始轨道参数相同，即满足a1＝a0、e1＝e0、i1＝i0、Ω1＝Ω0、ω1＝ω0，真近点角f1＝θ1‑
ω1；通过在θ1处施加脉冲前的轨道六根数和脉冲大小Δv1求解第一次施加脉冲后在θ1处的轨道六根数[a1′
,e1′
,i1′<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张刚，程尚稣，李化义，叶东，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：