一種geo衛(wèi)星群的多對多在軌加注任務規(guī)劃方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及空間在軌服務領域，特別設及一種基于多個服務星和多個儲油站對多 個地球同步軌道衛(wèi)星在軌加注的任務規(guī)劃方法。
【背景技術】
[0002] 衛(wèi)星在軌加注是指對燃料消耗殆盡處于壽命末期，或燃料提前消耗完畢的衛(wèi)星提 供燃料補給，從而延長衛(wèi)星壽命，提高空間任務能力。地球同步軌道（GE0)衛(wèi)星是一類非常 特殊的衛(wèi)星，位于該軌道的衛(wèi)星與地球保持同步，覆蓋面積廣。世界各航天大國在GE0上部 署了大量衛(wèi)星，根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫信息，1265顆在軌運行的衛(wèi)星中，其中有465顆GE0衛(wèi)星。 GE0衛(wèi)星制造成本和發(fā)射成本都較高，且軌道資源是非常有限。因此，對GE0衛(wèi)星在軌加注， 延長衛(wèi)星壽命具有重大的實際意義。
[000引多個GE0衛(wèi)星的在軌加注問題（MGSRP)，如果采用單個服務星方式，由于服務星攜 帶燃料的能力是一定的，能夠加注的GE0目標數(shù)量有限；如果采用多個服務星方式，也存在 類似的問題；如果采用分布式（P2巧加注，要求每個衛(wèi)星既可被用作服務星也可被用作目 標星，但目前絕大多數(shù)衛(wèi)星都不具備作為服務星的能力。對GE0衛(wèi)星群的在軌加注方式，W 及相應的任務規(guī)劃問題，是一個亟需解決的技術難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供一種GE0衛(wèi)星群的"多對多"在軌加注任 務規(guī)劃方法。本發(fā)明采用多個服務星和多個儲油站的方式，完成GE0衛(wèi)星群的在軌加注任 務。任務規(guī)劃問題需要解決每個服務星對哪些GE0目標加注W及加注次序；服務星是否回 到儲油站進行補給，回到哪個儲油站等問題。
[0005] 本發(fā)明的任務場景為：GE0目標具有不同的軌道傾角，升交點赤經(jīng)和相位，且燃料 需求已知。任務開始前，多個服務星和多個儲油站部署在GE0上，服務星攜帶燃料的能力有 限。服務星通過往返于儲油站和GE0目標之間，將燃料從儲油站運輸至各GE0目標，每個服 務星至少為1個目標進行在軌加注。每個GE0目標只被服務一次。任務完成后，服務星機 動至初始軌道。多個GE0衛(wèi)星的在軌加注問題（MGSR巧的優(yōu)化目標是服務星軌道機動的燃 料消耗最少。
[0006] 在軌加注任務過程中，服務星有W下五種狀態(tài)：1、停泊在初始GE0上；2、轉(zhuǎn)移至 GE0目標；3、為GE0目標進行加注；4、轉(zhuǎn)移至儲油站；5、從儲油站獲得補給。儲油站有W下 兩種狀態(tài)：1、停泊在初始GE0上；2、為服務星進行加注。MGSRP任務規(guī)劃需要解決W下問題： 每個服務星為哪些GE0目標加注，W及加注次序；服務星為每一個GE0目標加注完成后判斷 是否回到儲油站補給，回到哪個儲油站；每個服務星的脈沖速度大小，離開儲油站時攜帶的 燃料質(zhì)量。任務規(guī)劃問題采用兩層優(yōu)化模型進行優(yōu)化，上層優(yōu)化問題采用混合粒子群算法 化PS0)，下層優(yōu)化問題采用窮舉法巧巧。
[0007] 本發(fā)明采用的技術方案是：
[000引一種GEO衛(wèi)星群的"多對多"在軌加注任務規(guī)劃方法，具體包括w下步驟：
[000引步驟一：輸入初始參數(shù)：GE0目標的軌道傾角、升交點赤經(jīng)和燃料需求，每個服務 星的參數(shù)，包括結(jié)構(gòu)質(zhì)量、攜帶燃料能力、軌道傾角和升交點赤經(jīng)，儲油站的軌道傾角和升 交點赤經(jīng)，假設服務星和儲油站的數(shù)量相同，每個服務星和其中一個儲油站軌道根數(shù)相同。
[0010] 步驟二：確定加注方式：服務星通過軌道機動實現(xiàn)與儲油站的交會對接，獲得燃 料的補給；與GE0目標交會對接后，為其在軌加注；服務星往返于GE0目標和儲油站之間， 運送燃料。軌道機動時，服務星首先調(diào)整軌道面，然后進行軌道面內(nèi)相位的調(diào)整，從而實現(xiàn) 與儲油站或GE0目標的交會對接。通過施加兩次速度脈沖進行調(diào)相，調(diào)相速度增量與調(diào)相 時間稱反比。分析表明，當調(diào)相時間超過一個月時，調(diào)相速度增量與調(diào)整軌道面相比可忽略 不計。因此本發(fā)明中忽略調(diào)相所需的燃料。
[0011] 為形象地說明多個服務星和多個儲油站為GE0目標群在軌加注的任務過程，圖1 給出了一個例子：1號服務星在1號儲油站得到補給后，進行軌道機動，與1號目標交會對 接后進行在軌加注，對8號目標在軌加注完成后回到1號儲油站重新得到補給，接著又對3 號、6號目標在軌加注；2號服務星從2號儲油站出發(fā)后，依次為2號、4號、5號目標在軌加 注，然后回到某個儲油站進行補給。
[0012] 步驟Ξ:多個GE0衛(wèi)星的在軌加注任務規(guī)劃：
[0013]S3. 1定義優(yōu)化變量
[0014] 包括Ξ個優(yōu)化變量，加注次序X、決策變量S和R
[001 引X=[又1，又2,…，xj，S= [Si,S2,…，Sn]，R=bi,。，…，Tm]
[001引其中，η是GEO目標的個數(shù)，m是服務星的個數(shù)；X由整數(shù)組成，XiE{0, 1，2, ...η}且Xi聲X.j;S中的元素滿足s{0, 1, 2, .. .ρ}，其中ρ是儲油站的個數(shù)，si=0表示對Xi 號目標加注完成后，繼續(xù)為下一個目標加注，Si= 1表示對號目標加注完成后，回到1號 儲油站補給。R表示每一個服務星加注的目標個數(shù)，滿足0<r,<n-1，且
[0017]令Xj，Sj表示j號服務星的加注次序和決策變量，有[001引X.j=X(rJ1+1:rji+rj)，S.j=S(r.j1+1:rji+rj)
[0019]其中1·。= 0,1《j《m;
[0020]下面舉例對變量進行說明，例如X=[3, 5, 2, 7, 1，4, 6]，S= [0, 0, 1，0, 1，0, 2]，R =化4]表示共有7個GEO目標，2個服務星和2個儲油站；有Xi=巧，5, 2]，Si= [0,0, 1]， X2= [7,1,4,6]，Si= [0，！，0, 2]，表示1號服務星從1號儲油站出發(fā)，依次為3號、5號、2 號目標加注，最后回到1號儲油站；2號服務星從2號儲油站出發(fā)后，依次為7號、1號目標 加注，然后回到1號儲油站進行補給，接著為4號、6號目標加注，最后回到2號儲油站；
[0021] S2. 2確定目標函數(shù)
[0022] 多個GE0衛(wèi)星的在軌加注的優(yōu)化指標為
[0023]
[0024] 其中巧冷瑪為第j號服務星第i次從儲油站出發(fā)時攜帶的燃料質(zhì)量，N，是第j號 服務星從儲油站出發(fā)的次數(shù)。
[00巧]在計算Μ化el之前要先得到服務星軌道機動的速度增量，根據(jù)下面的方法計算；
[0026] 服務星在調(diào)整軌道面時，脈沖速度需同時改變軌道升交點赤經(jīng)Ω和軌道傾角I; 如果服務星要從一個GE0衛(wèi)星（Ii，Ωι)機動至另一個衛(wèi)星（1,，Ω2)，需要的服務星軌道機 動的速度增量（即服務星施加的脈沖速度）為
[0027]
[0028] 其中V是GE0衛(wèi)星的運行速度，丫通過下式得到；
[0029] cos丫 =sinlisinizcos(Ω1_Ω2)+cosIiC〇sl2
[0030] 軌道機動消耗的燃料質(zhì)量為
[0031]
[003引其中m。是服務星的初始質(zhì)量，包括結(jié)構(gòu)質(zhì)量和燃料質(zhì)量，I,ρ是發(fā)動機比沖，g。是 地球引力加速度；
[0033] 化）根據(jù)X,和S,得到第j號服務星每次施加的脈沖速度后，通過下面的算法計算 其出發(fā)時攜帶的總?cè)剂腺|(zhì)量Μ化el，，從而
[0034] 1)將Mfuel嚇始化為0 ;
[003引。找出S,中所有元素大于0的位置，用S表示，并將其擴充S= [0,S];
[0036] 3)fori= 1toN
[0037] i)Q=s(i+l)-s(i)，
[0038] U)forj=Qto1
[0039]
[0040]
，否則S不是一個可 行解，令版ue!i= 10 5,結(jié)束算法；
[00川其中，N是第j號服務星回到儲油站的次數(shù)，nwy為服務星結(jié)構(gòu)質(zhì)量，心知+,表示第j號服務星第i次從儲油站出發(fā)后，回到儲油站所需的速度增量；心公是第j號服務星第i 次從儲油站出發(fā)，與第q個目標交會所需的速度增量，<心?'。為目標的燃料需求，C為服務星 攜帶燃料能力，如果W/W// >C，則說明不是一個可行方案。
[0042] S3. 3設計兩層優(yōu)化模型
[0043] 采用兩層優(yōu)化模型，上層優(yōu)化是對加注次序X和決策變量S的優(yōu)化，下層優(yōu)化是對 決策變量R的優(yōu)化。優(yōu)化模型如下：
[0044] 上層優(yōu)化：找到最優(yōu)的X= [Xi,而，...，xj和S= [Si,S2, .