一种考虑太阳光约束的单对多星连续掠飞观测轨迹优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑太阳光约束的单对多星连续掠飞观测轨迹优化方法及系统，属于航天器轨道优化技术领域，其中，该方法包括：构建任务星、n颗目标卫星与太阳之间的约束条件；获取n颗目标卫星初始轨道参数和第一任务卫星初始轨道参数；采用Lambert变轨策略和粒子群算法对总速度增量进行全局寻优，不满足条件则重新全局寻优，反之则向下执行局部寻优；采用Lambert变轨策略和序列二次规划算法对全局寻优后的初始总速度增量进行局部优化，判断局部优化后的总速度增量是否约束条件，若不满足，则重新局部寻优，反之则局部优化后的总速度增量为最优速度增量。该方法能够使任务星在满足任务约束的同时燃料消耗最小。任务约束的同时燃料消耗最小。任务约束的同时燃料消耗最小。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑太阳光约束的单对多星连续掠飞观测轨迹优化方法及系统


[0001]本专利技术涉及航天器轨道优化
，特别涉及一种基于粒子群算法和序列二次规划算法的太阳光约束下单对多星连续掠飞观测轨迹优化方法及系统。

技术介绍

[0002]近年来，随着低地球轨道(Low Earth orbit,LEO)卫星通信领域的迅速发展，LEO空间目标数量日益增多。其中，发展最为迅速的是美国SpaceX公司提出的星链卫星通信星座，该星座卫星数量庞大，占用过多LEO资源，并且很多卫星质量不达标，成为空间垃圾，LEO空间安全正遭受极大威胁。为此，利用观测卫星连续掠飞观测LEO卫星成为空间态势感知技术发展的一个重要方向。
[0003]单对多星连续掠飞观测任务是指一颗任务星通过多次轨道转移连续接近n颗目标星进行掠飞观测。任务中通常需要首先确定目标星的轨道，确定发射任务星的时间；然后将任务星送入与目标星相近的轨道，作机动变轨连续接近n颗目标星。在掠飞观测过程中若使观测卫星具有对目标观测及成像的能力，两星相对位置需满足良好的成像光照角度，因此需要满足太阳光约束条件。
[0004]单对多星连续掠飞观测任务可以简化为带有基本约束的多段轨迹同时优化问题。传统的轨迹优化方法以每段轨迹的转移时间作为优化变量，以速度增量(燃料消耗)作为优化指标，通常使用遗传算法(Genetic Algorithm，GA)或序列二次规划算法(sequence quadratic program，SQP)进行优化求解。在不考虑约束条件下进行轨迹优化也经常使用粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)。
[0005]相关技术提出了航天器多约束空间抵近掠飞轨迹优化方法主要设计了一种综合多步优化和序列二次规划的优化算法解决多约束下航天器掠飞轨迹优化问题，实现了燃料最省的轨道转移策略，可以作为对多航天器连续掠飞观测轨迹优化的参考，但该方案仅针对单次任务对单颗目标卫星的掠飞观测，对于多颗目标卫星任务场景，使用该方案需要每次对掠飞任务进行重新规划，观测效率较低；另外给定任务星的初始轨道参数，优化得到的是该初始相对运动状态下的燃料最优轨迹，而并非全局的燃料最优轨迹。
[0006]传统轨迹优化方法给定任务星的初始轨道参数，通常选取与目标星相近的轨道面，优化得到的轨迹非常容易受到任务星初始运动状态的影响，不同的任务卫星初始位置会改变对目标星掠飞观测的顺序和相应的轨迹，得到差别很大的燃料消耗结果，很多情况下得不到理想的的燃料最优轨迹。
[0007]传统轨迹优化方法通常使用粒子群算法，PSO是一种启发式随机优化算法，它随机生成初始猜测，全局性较好，但其求解器不能求解非线性约束，因此不适用带有太阳光约束的掠飞观测任务；使用序列二次规划算法可以求解非线性约束，且具有计算精度高、收敛速度快、稳定性好等优点，但其对初值的选择比较敏感，通常结果收敛于初值附近，得到的是局部最优的解，并非全局最优解。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0009]为此，本专利技术的一个目的在于提出一种考虑太阳光约束的单对多星连续掠飞观测轨迹优化方法。
[0010]本专利技术的另一个目的在于提出一种考虑太阳光约束的单对多星连续掠飞观测轨迹优化系统。
[0011]本专利技术的又一个目的在于提供一种计算机设备。
[0012]本专利技术的还一个目的在于提供一种非临时性计算机可读存储介质。
[0013]为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了考虑太阳光约束的单对多星连续掠飞观测轨迹优化方法，包括以下步骤：步骤S1，构建任务星、n颗目标卫星与太阳之间的约束条件；步骤S2，获取n颗目标卫星初始轨道参数，利用粒子群算法生成第一任务卫星初始轨道参数；步骤S3，采用Lambert变轨策略和粒子群算法对所述n颗目标卫星初始轨道参数和所述第一任务卫星初始轨道参数进行全局寻优，判断全局寻优后的初始总速度增量是否满足第一预设迭代终止条件，若不满足，则迭代执行步骤S2优化所述第一任务卫星初始轨道参数，反之则执行步骤S4；步骤S4，利用序列二次规划算法生成第二任务卫星初始轨道参数；步骤S5，采用Lambert变轨策略和序列二次规划算法对所述n颗目标卫星初始轨道参数和所述第二任务卫星初始轨道参数进行局部寻优，判断局部优化后的总速度增量是否满足所述约束条件和第二预设迭代终止条件，若不满足，则迭代执行步骤S4优化所述第二任务卫星初始轨道参数，反之则所述局部优化后的总速度增量为最优速度增量。
[0014]本专利技术实施例的考虑太阳光约束的单对多星连续掠飞观测轨迹优化方法，采用Lambert变轨策略，将1对n颗卫星连续掠飞观测任务转化为轨迹优化问题，建立约束条件下以任务星的燃料消耗为性能指标的优化模型，优化变量为任务星每次轨道转移的时间和初始轨道参数，优化指标为任务星完成任务所需总速度增量(燃料消耗)，使用PSO
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SQP混合优化算法求解该优化问题得到完成观测任务的最少速度增量(燃料消耗)，能够使任务星在满足任务约束的同时燃料消耗最小。
[0015]另外，根据本专利技术上述实施例的考虑太阳光约束的单对多星连续掠飞观测轨迹优化方法还可以具有以下附加的技术特征：
[0016]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S1具体过程为：
[0017]定义A为任务星、B为n颗目标卫星中的任一颗和C为太阳，将所述任务星A对所述目标卫星B的观测时段内的掠飞轨迹近似为直线所述任务星A的位置太阳矢量为α为与夹角，θ为任务星扫描视场的圆锥角，所述约束条件为：
[0018][0019]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S3具体包括：
[0020]步骤S301，采用Lambert变轨策略将任务星对n颗目标卫星连续掠飞观测，获得第一任务星转移时间；步骤S302，根据所述n颗目标卫星初始轨道参数和所述第一任务卫星初始轨道参数确定第一访问顺序；步骤S303，通过粒子群算法分析所述第一访问顺序，生成第一任务星转移时间；步骤S304，根据粒子群算法和所述第一任务星转移时间对总速度增量
进行全局寻优，判断所述全局寻优后的初始总速度增量是否满足所述第一预设迭代终止条件，若不满足，则迭代执行步骤S2优化所述第一任务卫星初始轨道参数，反之则执行步骤S4，其中，所述第一预设迭代终止条件为预设最大迭代次数或者粒子群算法当前为止搜寻到的最优位置满足目标函数的最小容许误差。
[0021]进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S5具体包括：步骤S501，采用Lambert变轨策略再次将任务星对n颗目标卫星连续掠飞观测，获得第二任务星转移时间；步骤S502，根据所述n颗目标卫星初始轨道参数和所述第二任务卫星初始轨道参数确定第二访问顺序；步骤S503，通过粒子群算法分析所述第二访问顺序，生成第二任务星转移时间；步骤S504，根据序列二次规划算法和所述第二任务星转移时间对所述全局寻优后的初始总速度增量进行局部优化，判断本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑太阳光约束的单对多星连续掠飞观测轨迹优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，构建任务星、n颗目标卫星与太阳之间的约束条件；步骤S2，获取n颗目标卫星初始轨道参数，利用粒子群算法生成第一任务卫星初始轨道参数；步骤S3，采用Lambert变轨策略和粒子群算法对所述n颗目标卫星初始轨道参数和所述第一任务卫星初始轨道参数进行全局寻优，判断全局寻优后的初始总速度增量是否满足第一预设迭代终止条件，若不满足，则迭代执行步骤S2优化所述第一任务卫星初始轨道参数，反之则执行步骤S4；步骤S4，利用序列二次规划算法生成第二任务卫星初始轨道参数；步骤S5，采用Lambert变轨策略和序列二次规划算法对所述n颗目标卫星初始轨道参数和所述第二任务卫星初始轨道参数进行局部寻优，判断局部优化后的总速度增量是否满足所述约束条件和第二预设迭代终止条件，若不满足，则迭代执行步骤S4优化所述第二任务卫星初始轨道参数，反之则所述局部优化后的总速度增量为最优速度增量。2.根据权利要求1所述的考虑太阳光约束的单对多星连续掠飞观测轨迹优化方法，其特征在于，所述步骤S1具体过程为：定义A为任务星、B为n颗目标卫星中的任一颗和C为太阳，将所述任务星A对所述目标卫星B的观测时段内的掠飞轨迹近似为直线所述任务星A的位置太阳矢量为α为与夹角，θ为任务星扫描视场的圆锥角，所述约束条件为：3.根据权利要求1所述的考虑太阳光约束的单对多星连续掠飞观测轨迹优化方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：步骤S301，采用Lambert变轨策略将任务星对n颗目标卫星连续掠飞观测，获得第一任务星转移时间；步骤S302，根据所述n颗目标卫星初始轨道参数和所述第一任务卫星初始轨道参数确定第一访问顺序；步骤S303，通过粒子群算法分析所述第一访问顺序，生成第一任务星转移时间；步骤S304，根据粒子群算法和所述第一任务星转移时间对总速度增量进行全局寻优，判断所述全局寻优后的初始总速度增量是否满足所述第一预设迭代终止条件，若不满足，则迭代执行步骤S2优化所述第一任务卫星初始轨道参数，反之则执行步骤S4，其中，所述第一预设迭代终止条件为预设最大迭代次数或者粒子群算法当前为止搜寻到的最优位置满足目标函数的最小容许误差。4.根据权利要求1所述的考虑太阳光约束的单对多星连续掠飞观测轨迹优化方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：步骤S501，采用Lambert变轨策略再次将任务星对n颗目标卫星连续掠飞观测，获得第二任务星转移时间；步骤S502，根据所述n颗目标卫星初始轨道参数和所述第二任务卫星初始轨道参数确
定第二访问顺序；步骤S503，通过粒子群算法分析所述第二访问顺序，生成第二任务星转移时间；步骤S504，根据序列二次规划算法和所述第二任务星转移时间对所述全局寻优后的初始总速度增量进行局部优化，判断所述局部优化后的总速度增量是否满足所述约束条件和所述第二预设迭代终止条件，若不满足，则迭代执行步骤S4优化所述第二任务卫星初始轨道参数，反之则所述局部优化后的总速度增量为最优速度增量，其中，所述第二预设迭代终止条件为达到预设最大迭代次数或者序列二次规划算法目前为止搜寻到的最优位置满足目标函数的最小容许误差。5.一种考虑太阳光约束的单对多星连续掠飞观测轨迹优化系统，其特征在于，包括：约束条件模块，用于构建任务星、n颗目标卫星与太阳之间的约束条件；第一参数获取模块，用于获取n颗目标卫星初始轨道参数，利用粒子群算法生成第一任务卫星初始轨道参数；全局寻优模块，用于采用Lambert变轨策略和粒子群算法对所述n颗目标卫星初始...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶东，张豪，张庆泽，尹龙逊，张剑桥，肖岩，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：