一种航天器轨道的并行自适应计算方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种航天器轨道的并行自适应计算方法及系统，采用并行的多个配点迭代算法分别对各配点时刻的初始状态进行迭代修正，并且各配点迭代算法采用不同的初始子区间步长，根据各配点迭代算法的收敛状态和迭代次数的关系，确定下一子区间的步长；并重复迭代过程直至完成所有子区间状态的迭代修正，得到航天器轨道；本发明专利技术根据配点迭代类方法在不同计算步长下的收敛情况和迭代次数来调整计算的步长，使得在计算过程中子区间的步长总是适当的，避免了配点迭代类方法因为计算步长过长或过短而导致计算精度或效率降低的问题，充分发挥了配点迭代类方法大步长计算的优势。挥了配点迭代类方法大步长计算的优势。挥了配点迭代类方法大步长计算的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种航天器轨道的并行自适应计算方法及系统


[0001]本专利技术涉及航空航天
，具体为一种航天器轨道的并行自适应计算方法及系统。

技术介绍

[0002]在航空航天领域，许多问题都可以用非线性常微分方程的数学模型来描述。因此，在许多航空航天的工程任务中，非线性常微分方程的求解效率严重影响着任务的执行效果。近年来，一类结合了配点法和迭代法的非线性常微分方程求解方法被广泛应用到航天器轨道递推，轨道转移等航天工程任务中。配点迭代类方法具有比传统有限差分类方法更高的计算精度和更快的计算速度，但该方法的计算效率通常会受到计算参数的严重影响，选择合适的计算参数可以避免此类方法计算效率低下。但现有配点迭代类算法的自适应参数选择策略都是针对串行方法设计的，串行的配点迭代类方法因为串行计算节点不足会出现运算操作排队等待计算节点，从而造成计算效率降低的问题。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种航天器轨道的并行自适应计算方法及系统，以提高航天器轨道的计算效率。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0005]一种航天器轨道的并行自适应计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]步骤1，选定航天器轨道的总计算区间和总区间的配点数M，以及设定初始子区间的步长；
[0007]步骤2、采用并行的多个配点迭代算法分别对各配点时刻的初始状态进行迭代修正，并且各配点迭代算法采用不同的初始子区间步长，根据各配点迭代算法的收敛状态和迭代次数的关系，确定下一子区间的步长；
[0008]步骤3、根据确定的下一子区间的步长，重复步骤2，直至完成所有子区间状态的迭代修正，得到各子区间的状态修正值，进而得到航天器轨道。
[0009]优选的，步骤2中，采用GPU实现多个配点迭代算法的并行运行，具体如下：
[0010]在GPU上分配多个相互独立且并行的CUDA流，各CUDA流运行不同初始子区间步长的配点迭代算法。
[0011]优选的，所述配点迭代算法修正子区间状态的方法如下：
[0012]采用线性运算函数将配点迭代计算方法重写为误差迭代方程和误差迭代方程；
[0013]将误差迭代方程和状态迭代方程结合常矩阵对子区间中各配点时刻的初始状态进行迭代修正，直至状态修正值达到预定精度，得到该子区间的航天器轨道。
[0014]优选的，所述误差迭代方程的表达式如下：
[0015][0016]状态迭代方程如下：
[0017][0018]其中，为第n次迭代修正后航天器的位置及速度估计值，和分别为和中第d维状态对应的向量。
[0019]优选的，步骤2中根据收敛状态和迭代次数的关系，确定下一子区间的步长的方法如下；
[0020]S个配点迭代算法的步长分别为n1×
dt,n2×
dt,
……
，n
s
‑1×
dt；
[0021]其中，1＝n1＜n2＜
…
＜n
s
‑1，S≥2；
[0022]按照步长自小到大对各配点迭代算法进行排序，当排序中有且仅有前C个配点迭代算法收敛时，即0＜C≤S；
[0023]获取各配点迭代算法的迭代次数分别为I1，I2……
，I
C
，根据迭代次数缩小下一子区间的步长。
[0024]优选的，所述下一子区间的步长的计算方法如下：
[0025]当时：
[0026]dt＝n
m
×
dt，
[0027]当时：
[0028]dt＝dt/n
m+1
，
[0029]优选的，当所有的配点迭代算法均未收敛，缩短当前子区间的步长，并采用修改后的步长对当前子区间的初始状态重新迭代修正。
[0030]优选的，所述修改后的步长如下：
[0031]dt＝dt/n
s
‑1。
[0032]上述航天器轨道的并行自适应计算方法的系统，包括
[0033]初始化模块，用于选定航天器轨道的总计算区间和总区间的配点数M，以及设定初始子区间的步长；
[0034]并行迭代模块，用于采用并行的多个配点迭代算法分别对各配点时刻的初始状态进行迭代修正，并且各配点迭代算法采用不同的初始子区间步长，根据各配点迭代算法的收敛状态和迭代次数的关系，确定下一子区间的步长；
[0035]轨道模块，用于根据确定的下一子区间的步长，并结合并行的多个配点迭代算法完成所有子区间状态的迭代修正，输出航天器轨道。
[0036]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0037]本专利技术公开了一种航天器轨道的并行自适应计算方法，采用并行的多个配点迭代算法分别对各配点时刻的初始状态进行迭代修正，并且各配点迭代算法采用不同的初始子区间步长，根据各配点迭代算法的收敛状态和迭代次数的关系，确定下一子区间的步长，然后根据确定的步长重复上述过程完成航天器轨道的计算，本专利技术根据配点迭代类方法在不同计算步长下的收敛情况和迭代次数来调整计算的步长，使得在计算过程中子区间的步长
总是适当的，避免了配点迭代类方法因为计算步长过长或过短而导致计算精度或效率降低的问题，充分发挥了配点迭代类方法大步长计算的优势。
附图说明
[0038]图1为本专利技术航天器轨道的自适应计算方法原理图；
[0039]图2为本专利技术航天器轨道的自适应计算方法流程图；
[0040]图3为本专利技术航天器轨道计算结果图；
[0041]图4为本专利技术自适应并行计算方法所带来的加速比图。
具体实施方式
[0042]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。
[0043]如图1和图2所示，一种航天器轨道的并行自适应计算方法，包括如下步骤：
[0044]步骤1，选定航天器轨道的总计算区间和总区间的配点数M，以及设定初始子区间的步长；
[0045]根据经验选定固定配点数，基于GPU的并行计算方法的配点数通常取为32的整数倍，将总计算区间[t0,t
f
]分为若干个子区间，并设定初始子区间的步长为dt，即该子区间的长度。
[0046]其中，t0为总计算区间的起始时间，t
f
为总计算区间的终止时间。
[0047]在总计算区间[t0,t
f
]范围内根据公式选取M个CGL节点，其中τ
m
＝
‑
cos((m
‑
1)π/(M
‑
1)),m＝1,2,
…
,M。
[0048]步骤2，采用并行的多个配点迭代算法分别对各配点时刻的初始状态进行迭代修正，并且各配点迭代算法采用不同的初始子区间步长，根据各配点迭代算法的收敛状态和迭代次数的关系，确定对下一子区间的步长，具体如下：
[0049]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航天器轨道的并行自适应计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，选定航天器轨道的总计算区间和总区间的配点数M，以及设定初始子区间的步长；步骤2、采用并行的多个配点迭代算法分别对各配点时刻的初始状态进行迭代修正，并且各配点迭代算法采用不同的初始子区间步长，根据各配点迭代算法的收敛状态和迭代次数的关系，确定下一子区间的步长；步骤3、根据确定的下一子区间的步长，重复步骤2，直至完成所有子区间状态的迭代修正，得到各子区间的状态修正值，进而得到航天器轨道。2.根据权利要求1所述的一种航天器轨道的并行自适应计算方法，其特征在于，步骤2中，采用GPU实现多个配点迭代算法的并行运行，具体如下：在GPU上分配多个相互独立且并行的CUDA流，各CUDA流运行不同初始子区间步长的配点迭代算法。3.根据权利要求1所述的一种航天器轨道的并行自适应计算方法，其特征在于，所述配点迭代算法修正子区间状态的方法如下：采用线性运算函数将配点迭代计算方法重写为误差迭代方程和误差迭代方程；将误差迭代方程和状态迭代方程结合常矩阵对子区间中各配点时刻的初始状态进行迭代修正，直至状态修正值达到预定精度，得到该子区间的航天器轨道。4.根据权利要求3所述的一种航天器轨道的并行自适应计算方法，其特征在于，所述误差迭代方程的表达式如下：状态迭代方程如下：其中，为第n次迭代修正后航天器的位置及速度估计值，和分别为和中第d维状态对应的向量。5.根据权利要求1所述的一种航天器轨道的并行自适应计算方法，其特征在于，步骤2中根据收敛状态和迭代次数的关系，确定下一子区间的步长的方法如下；S个配点迭代算法的步长分别为n1×
dt,n2×
dt,
……
，n

【专利技术属性】
技术研发人员：代洪华，王昌涛，张哲，汪雪川，岳晓奎，刘传凯，孙军，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：