一种考虑时序优化的引力波探测编队多脉冲并行构建方法技术

本发明专利技术涉及航空航天技术领域，具体为一种考虑时序优化的引力波探测编队多脉冲并行构建方法，组成编队的各航天器从虚拟中心处同时出发，通过施加多次脉冲使得各航天器运动到预设的指定位置，从而形成一种可用于进行空间引力波探测的航天器编队，通过给出计算各航天器初始位置与速度与施加初始化控制到达初始位置与速度的步骤，计算出编队构建过程中各时刻下各航天器的状态量，从而为实际工程应用中的卫星编队任务的设计提供参考，并通过微分校正进行修正，提高了多脉冲并行空间引力波探测编队所建立线性化相对运动动力学模型时的准确性，降低了相对运动动力学模型时存在误差，可有效到达预先设置的初始状态，提高了编队构件的工作效率。的工作效率。的工作效率。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑时序优化的引力波探测编队多脉冲并行构建方法


[0001]本专利技术涉及航空航天
，具体为一种考虑时序优化的引力波探测编队多脉冲并行构建方法。

技术介绍

[0002]航天器编队正在天文学、物理学等各类研究中广泛提及，其相关技术的研究与应用正广泛地开展。近年来随着LIGO宣布首次探测到引力波，世界各大研究机构对引力波的研究愈发火热，而应用航天器编队的天基引力波探测技术恰能弥补地基引力波探测装置的不足，探测到更加低频率的引力波，故而引力波探测编队相关技术的研究显得越来越重要。目前对于空间引力波探测编队构建方式的研究比较缺乏，组成编队的航天器究竟该以何种顺序完成编队构建，如何构建编队能节省燃料，这都是迫切需要研究的问题。

技术实现思路

[0003]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种考虑时序优化的引力波探测编队多脉冲并行构建方法，以解决现有技术中多脉冲并行空间引力波探测编队所建立线性化相对运动动力学模型时存在误差，无法到达预先设置的初始状态，导致编队构件失败的技术问题。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0005]一种考虑时序优化的引力波探测编队多脉冲并行构建方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1，输入多脉冲并行的空间引力波探测编队参数；
[0007]步骤2，根据航天器参数计算得到编队中多脉冲并行构建的终端状态约束；
[0008]步骤3，根据终端状态约束结合空间圆编队条件得到多脉冲的目标状态，构建适用于空间引力波探测编队初始化的多脉冲控制数学模型；
[0009]步骤4，在多脉冲控制数学模型中采用优化算法计算编队构建多脉冲控制中各脉冲最优施加时刻以及各次脉冲下的速度增量；
[0010]步骤5，根据编队构建多脉冲控制中各脉冲最优施加时刻以及各速度增量分别计算出编队构建过程中各时刻下各航天器的状态量，并通过微分校正对误线性化误差进行修正。
[0011]优选的，步骤1中，所述空间引力波探测编队参数包括根据任务需求确定的编队所在轨道和参数以及编队中航天器参数，其中编队所在轨道和参数包括半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近日点幅角和真近点角；编队中航天器参数包括航天器的绕飞半径r、脉冲次数N。
[0012]优选的，步骤2中，所述根据航天器参数结合Clohessy
‑
Wiltshire方程计算得到编队中多脉冲并行构建的终端状态约束的具体过程如下：
[0013]步骤21，根据航天器参数推导基于Clohessy
‑
Wiltshire方程的航天器圆构形初始条件，其初始条件公式如下：
[0014][0015]其中，d表示航天器绕飞半径，α表示该航天器的相位角；
[0016]步骤22，根据航天器圆构形初始条件计算得到编队中多脉冲并行构建的终端状态约束；
[0017][0018]其中，t
f
表示并行构建完成时刻。
[0019]优选的，步骤3中，构建适用于空间引力波探测编队初始化的多脉冲控制数学模型的具体方法如下：
[0020]步骤31，利用空间相对运动中Clohessy
‑
Wiltshire方程下的空间圆编队条件，计算得到所有卫星对应的初始相对位置和速度，即为多脉冲的目标状态；
[0021]步骤32，根据所有卫星对应的初始相对位置和速度对Clohessy
‑
Wiltshire方程解析式中控制项进行脉冲近似，得到多脉冲控制数学模型如下：
[0022][0023]将多脉冲控制数学模型转变为相乘形式如下：
[0024][0025]其中，X(t
f
)、X(t0)表示并行构建完成与初始时刻航天器的状态量，Δv1...Δv
N
表示各次脉冲的速度增量。
[0026]进一步的，步骤32中，控制项并将其展开成状态空间模型的形式为：
[0027][0028]其中，控制项u＝[u
x
,u
y
,u
z
]T
，
[0029]其中，u
x
,u
y
,u
z
表示控制量在各方向的分量。
[0030]优选的，步骤4中，具体的过程如下：
[0031]步骤41，将多脉冲控制数学模型进行移项变换，得到移项变换后的多脉冲控制数学模型，如下：
[0032]ΔV＝[Φ
v
(t
f
,t1),
…
,Φ
v
(t
f
,t
N
)]‑1[X(t
f
)
‑
Φ(t
f
,t0)
·
X(t0)][0033]步骤42，根据多脉冲的目标状态利用优化算法寻找移项变换后的多脉冲控制数学模型中最优的脉冲施加时刻；
[0034]步骤43，根据多脉冲的目标状态结合最优的脉冲施加时刻得到各次脉冲下的速度增量。
[0035]进一步的，步骤43中，各次脉冲下的速度增量表达式如下：
[0036][0037]其中，
[0038][0039][0040]其中，分别表示引力波探测编队中一、二、三号航天器N次脉冲的速度增量。
[0041]优选的，步骤5中，根据编队构建多脉冲控制中各脉冲最优施加时刻以及各速度增量分别计算出编队构建过程中各时刻下各航天器的状态量，具体公式如下：
[0042][0043]优选的，步骤5中，通过微分校正对误线性化误差进行修正的具体方法如下：
[0044]S1，给定一组初始速度增量ΔV0＝[Δv1···
Δv
N
]T
，通过动力学非线性模型积分，得到实际脉冲终端状态：
[0045][0046]S2，计算实际脉冲终端状态的误差量：
[0047]ΔX(t
f
)＝X(t
f
,ΔV0)
‑
X(t
f
)；
[0048]S3，结合实际脉冲终端状态的误差量通过状态转移矩阵逆向确定脉冲速度的修正值：
[0049][0050]S4，根据初始速度增量结合脉冲速度的修正值得到修正后的脉冲速度为：
[0051]ΔV1＝ΔV0+δΔV0；
[0052]S5，利用非线性模型积分，并计算终端状态误差量，即重复S1
‑
S2，若修正后的脉冲速度ΔV1可使得误差量ΔX(t
f
)小于给定值，则结束迭代修正；反之则继续执行S3
‑
S4所进行再次修正。
[0053]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0054]本专利技术提供了一种考虑时序优化的引力波探测编队多脉冲并行构建方法，组成编队的各航天器从虚拟中心处同时出发，通过施加多次脉冲使得各航天器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑时序优化的引力波探测编队多脉冲并行构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，输入多脉冲并行的空间引力波探测编队参数；步骤2，根据航天器参数计算得到编队中多脉冲并行构建的终端状态约束；步骤3，根据终端状态约束结合空间圆编队条件得到多脉冲的目标状态，构建适用于空间引力波探测编队初始化的多脉冲控制数学模型；步骤4，在多脉冲控制数学模型中采用优化算法计算编队构建多脉冲控制中各脉冲最优施加时刻以及各次脉冲下的速度增量；步骤5，根据编队构建多脉冲控制中各脉冲最优施加时刻以及各速度增量分别计算出编队构建过程中各时刻下各航天器的状态量，并通过微分校正对误线性化误差进行修正。2.根据权利要求1所述的一种考虑时序优化的引力波探测编队多脉冲并行构建方法，其特征在于，步骤1中，所述空间引力波探测编队参数包括根据任务需求确定的编队所在轨道和参数以及编队中航天器参数，其中编队所在轨道和参数包括半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近日点幅角和真近点角；编队中航天器参数包括航天器的绕飞半径r、脉冲次数N。3.根据权利要求1所述的一种考虑时序优化的引力波探测编队多脉冲并行构建方法，其特征在于，步骤2中，所述根据航天器参数结合Clohessy
‑
Wiltshire方程计算得到编队中多脉冲并行构建的终端状态约束的具体过程如下：步骤21，根据航天器参数推导基于Clohessy
‑
Wiltshire方程的航天器圆构形初始条件，其初始条件公式如下：其中，d表示航天器绕飞半径，α表示该航天器的相位角；步骤22，根据航天器圆构形初始条件计算得到编队中多脉冲并行构建的终端状态约束；其中，t
f
表示并行构建完成时刻。4.根据权利要求1所述的一种考虑时序优化的引力波探测编队多脉冲并行构建方法，其特征在于，步骤3中，构建适用于空间引力波探测编队初始化的多脉冲控制数学模型的具体方法如下：步骤31，利用空间相对运动中Clohessy
‑
Wiltshire方程下的空间圆编队条件，计算得到所有卫星对应的初始相对位置和速度，即为多脉冲的目标状态；步骤32，根据所有卫星对应的初始相对位置和速度对Clohessy
‑
Wiltshire方程解析式
中控制项进行脉冲近似，得到多脉冲控制数学模型如下：将多脉冲控制数学模型转变为相乘形式如下：其中，X(t
f
)、X(t0)表示并行构建完成与初始时刻航天器的状态量，Δv1...Δv
N
表示各次脉冲的速度增量。5.根据权利要求4所述的一种考虑时序优化的引力波探测编队多脉冲并行构建方法，其特征在于，步骤32中，控制项并将其展开成状态空间模型的形式为：其中，控制项u＝[u
x
,u
y
,u
z
]
T
，其中，u
x
,u

【专利技术属性】
技术研发人员：党朝辉，刘培栋，周昊，焦博涵，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：