本發(fā)明涉及航天器在軌服務(wù)，具體涉及一種geo多航天器協(xié)作式在軌加注任務(wù)規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的發(fā)展，航天器在軌服務(wù)領(lǐng)域受到了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，航天器在軌加注而不是直接替換掉燃料耗盡的航天器作為一種低風(fēng)險的在軌服務(wù)，具有減少發(fā)射重量、延長航天器壽命、提高系統(tǒng)效率等優(yōu)點，然而，大規(guī)模星群的在軌加注任務(wù)呈現(xiàn)出需求量大、對服務(wù)航天器載荷能力要求高的特點，在一次任務(wù)中為多個航天器提供在軌加注服務(wù)不僅能提高運行效率，還能大大提高經(jīng)濟(jì)效益，如何實現(xiàn)最佳的在軌加油任務(wù)規(guī)劃成為實現(xiàn)效益最大化的關(guān)鍵因素。

2、現(xiàn)有的包括一對多、多對多在軌加注任務(wù)規(guī)劃方法中，單個服務(wù)航天器的燃料載荷能力有限，嚴(yán)重限制其能服務(wù)的目標(biāo)航天器的數(shù)量；且同一加注任務(wù)只允許由單個服務(wù)航天器完成，當(dāng)目標(biāo)航天器的需求較大時，服務(wù)航天器須多次往返燃料站，增加了燃料消耗且任務(wù)時間長，因此，geo多航天器在軌加注方式及其任務(wù)規(guī)劃問題，是當(dāng)前亟待攻克的技術(shù)難題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種geo多航天器協(xié)作式在軌加注任務(wù)規(guī)劃方法，解決背景技術(shù)中提出的問題。

2、本發(fā)明的上述技術(shù)目的是通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)的：

3、一種geo多航天器協(xié)作式在軌加注任務(wù)規(guī)劃方法，包括以下步驟：

4、步驟1、建立基于調(diào)面調(diào)相機(jī)動方法的軌道轉(zhuǎn)移模型，揭示航天器軌道轉(zhuǎn)移速度增量與時間的關(guān)系；

5、步驟2、建立在軌加注任務(wù)規(guī)劃的雙層優(yōu)化模型，在最小化燃耗的基礎(chǔ)上確定任務(wù)時間范圍；

6、步驟3、利用雙層優(yōu)化算法高效求解優(yōu)化模型，內(nèi)外層分別采用b&b算法和nsga-ⅱ算法，獲得最優(yōu)的服務(wù)航天器的服務(wù)順序序列、決策變量集、燃料消耗和任務(wù)時間。

7、進(jìn)一步的，所述步驟1包括以下內(nèi)容：

8、采用多服務(wù)航天器與多燃料站，完成多個目標(biāo)航天器的加注任務(wù)，為目標(biāo)星群，為第個目標(biāo)航天器，為目標(biāo)航天器數(shù)量；

9、為服務(wù)星群，為第個服務(wù)航天器，為服務(wù)航天器數(shù)量；

10、為燃料站，為第個燃料站，為燃料站數(shù)量；

11、在給定任務(wù)參數(shù)下，服務(wù)航天器從燃料站出發(fā)并執(zhí)行軌道轉(zhuǎn)移，直到服務(wù)航天器與燃料耗盡的目標(biāo)航天器進(jìn)行交會對接并完成加注任務(wù)；

12、若單個服務(wù)航天器攜帶的燃料不足，則可返回燃料站補給燃料后繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)或與其他服務(wù)航天器協(xié)作完成；

13、所有任務(wù)完成后，服務(wù)航天器需返回燃料站；

14、軌道機(jī)動的速度增量與燃料消耗的關(guān)系式為：

15、；

16、其中是燃料消耗，是速度增量，是服務(wù)航天器的質(zhì)量，是重力加速度，是航天器推進(jìn)劑比沖；

17、軌道機(jī)動的燃料消耗與速度增量正相關(guān)；

18、因此求解最優(yōu)軌道機(jī)動轉(zhuǎn)化為優(yōu)化服務(wù)航天器在調(diào)相軌道的轉(zhuǎn)移圈數(shù)；

19、由于調(diào)整軌道面可以在調(diào)相機(jī)動階段進(jìn)行，服務(wù)航天器調(diào)整軌道面的時間已包含進(jìn)調(diào)相機(jī)動時間內(nèi)，所以只需對調(diào)相機(jī)動階段的最優(yōu)機(jī)動進(jìn)行求解；

20、為決策變量，代表服務(wù)航天器服務(wù)完目標(biāo)航天器后是否需要返回燃料站補給燃料；

21、時，服務(wù)航天器執(zhí)行完加注任務(wù)后不需返回燃料站補給燃料，時，服務(wù)航天器執(zhí)行完加注任務(wù)后需返回燃料站補給燃料。

22、進(jìn)一步的，所述步驟1還包括：

23、當(dāng)服務(wù)航天器完成當(dāng)前任務(wù)仍有充足燃料，即時，服務(wù)航天器進(jìn)行一次雙脈沖機(jī)動，服務(wù)航天器轉(zhuǎn)移圈數(shù)與目標(biāo)航天器轉(zhuǎn)移圈數(shù)滿足時服務(wù)航天器軌道轉(zhuǎn)移消耗速度增量最小，此時與滿足下列等式：

24、；

25、其中函數(shù)為向下取整函數(shù)，為單次任務(wù)完成時刻上限，為單次任務(wù)起始時間，為單次任務(wù)加注時間，為地球同步軌道的周期，為調(diào)相角度且；

26、在確定轉(zhuǎn)移圈數(shù)與后，可確定調(diào)相軌道；

27、當(dāng)服務(wù)航天器完成當(dāng)前任務(wù)后燃料不足以繼續(xù)完成后續(xù)任務(wù)，或所有加注任務(wù)完成，即時，服務(wù)航天器進(jìn)行兩次雙脈沖機(jī)動，兩次轉(zhuǎn)移圈數(shù)分別與目標(biāo)航天器轉(zhuǎn)移圈數(shù)、燃料站轉(zhuǎn)移圈數(shù)相等，滿足、服務(wù)航天器軌道轉(zhuǎn)移速度增量最小，令，此時最優(yōu)轉(zhuǎn)移圈數(shù)滿足下列等式：

28、；

29、其中為單次補充燃料時間，為燃料站的軌道周期，為第一次雙脈沖機(jī)動的調(diào)相角度，為第二次雙脈沖機(jī)動的調(diào)相角度；

30、在確定轉(zhuǎn)移圈數(shù)后，可確定調(diào)相軌道；

31、兩種情況各自在確定了調(diào)相軌道后，可以通過軌道機(jī)動的速度增量與燃料消耗的關(guān)系式計算軌道機(jī)動所需的最小速度增量。

32、進(jìn)一步的，所述步驟2包括以下內(nèi)容：

33、服務(wù)航天器的狀態(tài)變量，包含以下五種情況：

34、：服務(wù)航天器正在為目標(biāo)航天器加注；

35、：服務(wù)航天器在與目標(biāo)航天器交會對接的軌道轉(zhuǎn)移過程中；

36、：服務(wù)航天器正在燃料站補充燃料；

37、：服務(wù)航天器在返回燃料站的軌道轉(zhuǎn)移過程中；

38、：服務(wù)航天器已完成所有加注任務(wù)返回初始位置。

39、進(jìn)一步的，所述步驟2還包括：

40、在某個服務(wù)航天器發(fā)出協(xié)作加注請求后，其余服務(wù)航天器若正處于軌道轉(zhuǎn)移過程中則滿足協(xié)作加注的前置條件，即；

41、建立在軌加注任務(wù)規(guī)劃的雙層優(yōu)化模型；

42、；

43、其中為服務(wù)航天器的加注序列，為服務(wù)航天器的加注序列，為加注序列中的第個任務(wù)；

44、為服務(wù)航天器每次軌道機(jī)動的時間分配，其中為服務(wù)航天器的每次軌道機(jī)動的時間分配，為服務(wù)航天器由當(dāng)前目標(biāo)位置軌道機(jī)動至加注序列中目標(biāo)所需時間；

45、為服務(wù)星群的決策變量集，?為服務(wù)航天器的決策變量集；

46、為服務(wù)星群的服務(wù)數(shù)量集，為服務(wù)航天器的服務(wù)數(shù)量集；

47、為總?cè)剂舷模?/p>

48、對于多對多在軌加注任務(wù)，為多個服務(wù)航天器中最晚完成任務(wù)的時間；

49、為航天器協(xié)作加注約束，所有任務(wù)必須完成，每個目標(biāo)航天器可由多個服務(wù)航天器服務(wù)；

50、為服務(wù)航天器軌道機(jī)動交會時間約束；

51、與為服務(wù)航天器動態(tài)任務(wù)時間約束，為當(dāng)前任務(wù)最小起始時間，為當(dāng)前任務(wù)最大完成時間，為服務(wù)航天器執(zhí)行任務(wù)的前續(xù)任務(wù)的完成時間，和分別代表執(zhí)行任務(wù)的最小、最大時間間隔；

52、為目標(biāo)航天器的需求約束；

53、為燃料站補給約束，服務(wù)航天器攜帶燃料不足時返回燃料站補給，且所有加注任務(wù)完成后返回燃料站。

54、進(jìn)一步的，所述步驟3的具體過程為：

55、采用雙層優(yōu)化算法進(jìn)行求解，對于變量、與，采用nsga-ⅱ算法進(jìn)行優(yōu)化，變量、與共同組成染色體，其中采用順序編碼方式，采用整數(shù)編碼方式，由于服務(wù)航天器在調(diào)相軌道的轉(zhuǎn)移圈數(shù)必為整數(shù)，同樣采用整數(shù)編碼方式；

56、變量采用b&b算法求解，在變量初始生成后，需要在加注過程中進(jìn)行優(yōu)化淘汰掉不滿足約束條件的解。

57、進(jìn)一步的，所述步驟3的協(xié)作加注算法流程如下：

58、輸入:任務(wù)變量；

59、輸出:更新后的任務(wù)變量與目標(biāo)函數(shù)值；

60、1：?初始化參數(shù)

61、2：?for??do

62、3：?for??do

63、4：?if??then

64、5：?if?then

65、6：?計算燃耗，找到最優(yōu)協(xié)作服務(wù)航天器

66、7：?更新變量

67、8：?else

68、9：?返回燃料站補給后加注

69、10：?計算燃耗，更新變量

70、11：?end?if

71、12：?else

72、13：?計算燃耗，更新變量

73、14：?end?if

74、15：?

75、16：?end?for

76、17：?

77、end?for。

78、進(jìn)一步的，所述步驟3的外層優(yōu)化算法流程如下：

79、輸入:任務(wù)變量；

80、輸出:更新后的任務(wù)變量與目標(biāo)函數(shù)值；

81、1：?設(shè)置種群個體數(shù)為，初始化種群

82、2：?迭代次數(shù)為，

83、3：?for??do

84、4：?根據(jù)協(xié)作加注算法計算種群中個體的目標(biāo)函數(shù)值

85、5：?計算的所有非支配前沿

86、6：?保留部分最優(yōu)個體，并通過選擇、交叉和變異創(chuàng)建子代種群

87、7：?更新種群

88、8：?

89、end?for。

90、綜上所述，本發(fā)明主要具有以下有益效果：

91、1、本發(fā)明突破了傳統(tǒng)的多對多在軌加注策略的限制，提出了協(xié)作在軌加注策略，當(dāng)服務(wù)航天器攜帶燃料不足時，允許服務(wù)航天器返回燃料站補給燃料或與其他服務(wù)航天器協(xié)作完成加注任務(wù)，有效減少服務(wù)航天器往返燃料站次數(shù)，減少燃料消耗與任務(wù)時間。

92、2、本發(fā)明提出的算法不同于已存在的算法，考慮到了多方面的約束，特別是動態(tài)調(diào)度和有效載荷限制，使得所提出的策略更貼近實際工程需求，具有重要的工程應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義。