基于最小相位调整的巨型星座飞越优化方法及系统

本发明涉及计算机技术与航天，具体是一种基于最小相位调整的巨型星座飞越优化方法及系统。

背景技术：

1、星链等巨型星座的卫星数量迅猛增长，如何对其进行有效监管是各国航天机构面临的巨大挑战。采用服务星抵近观测，可帮助巡检己方卫星，也可在非合作星座中识别具有特别功能的高价值目标，已在一些天基态势感知任务中开展。通过共面交会抵近方式进行观测，推进剂与时间成本高昂，不能满足对大量卫星进行巡检的需求。异面飞越相对共面交会方式，仍可获得较详细目标信息，但能大大节省推进剂与时间。

2、已有大量多星交会研究，多星飞越研究主要集中在深空行星与小行星探测，部分近地卫星飞越研究主要采用遗传、蚁群等大规模优化算法进行求解，且星座规模只达到几十颗卫星，难以满足具有上千颗卫星的巨型星座飞越设计需求。巨型星座往往采用混合星座构型，其单个子星座常采用walker-delta星座类的对称构型，已有研究未充分利用星座构型对称这一特点，未见到飞越上千卫星的巨型星座飞越优化方法。

3、因此，需要研究基于最小相位调整的巨型星座飞越优化方法。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中已有多星飞越优化方法可求解问题规模较小的技术问题，本发明提出一种基于最小相位调整的巨型星座飞越优化方法及系统，可以快速求解出具有上千颗卫星的巨型星座的较优飞越方案。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于最小相位调整的巨型星座飞越优化方法，包括如下步骤：

3、步骤1，获取任务初始参数，并建立巨型星座飞越的推进剂最省优化问题模型；

4、步骤2，计算星座卫星穿越服务星轨道面时的纬度幅角及期望的服务星初始纬度幅角；

5、步骤3，建立基于霍曼变轨调相的飞越轨道机动模型，以及巨型星座飞越的相位调整最小优化问题模型；

6、步骤4，对期望的服务星初始纬度幅角进行排序，确定最优飞越次序；

7、步骤5，计算服务星飞越星座卫星时需要调整的相位及轨道机动脉冲，得到巨型星座飞越的推进剂最省方案。

8、在其中一个实施例，步骤1中，所述建立巨型星座飞越的推进剂最省优化问题模型，具体为：

9、以飞越目标星的次序、各次飞越的轨道机动脉冲为第一设计变量，以总速度增量最小为第一目标函数，建立巨型星座飞越的推进剂最省优化问题模型；

10、所述第一设计变量为：

11、；

12、其中，为第次飞越的星座卫星的轨道平面编号与轨道面内编号计算出的序号，与分别第次飞越第1次与第2次机动的脉冲，为轨道面内卫星数，为星座卫星总数；

13、所述第一目标函数为：

14、；

15、其中，为总速度增量。

16、在其中一个实施例，步骤2中，所述计算星座卫星穿越服务星轨道面时的纬度幅角及期望的服务星初始纬度幅角，具体为：

17、设服务星初始轨道与星座卫星的轨道相交于交点，则交点在目标轨道上和服务星轨道上的纬度幅角分别是：

18、；

19、；

20、其中，为交点在目标轨道上的纬度幅角，即为星座卫星穿越服务星轨道面时的纬度幅角，为服务星轨道的倾角、升交点赤经，为星座卫星轨道的倾角、升交点赤经，为交点在服务星轨道上的纬度幅角；

21、根据期望服务星与星座卫星同时到达交点，计算得到期望的服务星初始纬度幅角，为：

22、；

23、其中，为飞越星座卫星时期望的服务星初始纬度幅角，为星座卫星在初始时刻的纬度幅角。

24、在其中一个实施例，步骤3中，建立巨型星座飞越的相位调整最小优化问题模型具体为：

25、以飞越目标星的次序为第二设计变量，以相位总调整量最小为第二目标函数，建立巨型星座飞越的相位调整最小优化问题模型；

26、所述第二设计变量为：

27、；

28、所述第二目标函数为：

29、；

30、其中，为相位总调整量，为服务星从飞越点调整到飞越点需要调整的相位；

31、在基于霍曼变轨调相的飞越轨道机动模型中，服务星从飞越点调整到飞越点需要调整的相位具体为：

32、；

33、；

34、其中，为服务星初始纬度幅角。

35、在其中一个实施例，步骤4具体为：

36、对相位调整最小优化问题的一组设计变量，对应的期望的服务星初始纬度幅角，按从小到大顺序进行排序，序列结果记录为：

37、；

38、其中，为序列结果中第个期望的服务星初始纬度幅角；

39、对应的星座卫星的次序记录为：

40、；

41、其中，为期望的服务星初始纬度幅角所对应星座卫星的序号；

42、采用以下三种情况之一确定最优飞越次序：

43、当时，则最优飞越次序为：

44、；

45、当时，则最优飞越次序为：

46、；

47、当时，则最优飞越次序为：

48、；

49、其中，为最优飞越次序。

50、在其中一个实施例，步骤5具体为：

51、服务星按照最优飞越次序给出的顺序对星座卫星进行依次飞越，采用以下三种情况之一计算服务星飞越星座卫星时需要调整的相位：

52、当时，服务星飞越星座卫星时需要调整的相位为：

53、；

54、当时，服务星飞越星座卫星时需要调整的相位为：

55、；

56、当时，服务星飞越星座卫星时需要调整的相位为：

57、；

58、服务星飞越星座卫星时的两次轨道机动脉冲分别为：

59、；

60、；

61、其中，为地球引力常数，为星座卫星的半长轴，为服务星转移轨道半长轴，为单次飞越轨道转移圈次；

62、服务星飞越星座卫星时轨道转移的速度增量为；

63、则巨型星座飞越的推进剂最省方案由第一设计变量与第一目标函数的最优值组成，分别为：

64、；

65、；

66、其中，为第一设计变量的最优值，为第一目标函数的最优值。

67、为实现上述目的，本发明还提供一种基于最小相位调整的巨型星座飞越优化系统，采用上述的方法进行巨型星座飞越优化。

68、与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

69、1.本发明能够高效、快速地求解包含上千颗卫星的巨型星座的较优飞越方案，解决了现有多星飞越优化方法在面对大规模卫星星座时的局限性，极大地提升了求解效率，使得在处理复杂空间任务时更加便捷和有效；

70、2.本发明能够适应不同轨道高度、倾角的walker-delta巨型星座，不仅能够满足多样化的任务需求，还可以根据不同的轨道特性进行最优方案的选择，提升任务的成功率和效率。

技术特征：

1.一种基于最小相位调整的巨型星座飞越优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于最小相位调整的巨型星座飞越优化方法，其特征在于，步骤1中，所述建立巨型星座飞越的推进剂最省优化问题模型，具体为：

3.根据权利要求2所述的基于最小相位调整的巨型星座飞越优化方法，其特征在于，步骤2中，所述计算星座卫星穿越服务星轨道面时的纬度幅角及期望的服务星初始纬度幅角，具体为：

4.根据权利要求3所述的基于最小相位调整的巨型星座飞越优化方法，其特征在于，步骤3中，建立巨型星座飞越的相位调整最小优化问题模型具体为：

5.根据权利要求4所述的基于最小相位调整的巨型星座飞越优化方法，其特征在于，步骤5具体为：

6.一种基于最小相位调整的巨型星座飞越优化系统，其特征在于，采用权利要求1至5任一项所述的方法进行巨型星座飞越优化。

技术总结本发明公开了一种基于最小相位调整的巨型星座飞越优化方法及系统，该方法包括：获取任务初始参数，建立巨型星座飞越的推进剂最省优化问题模型；计算星座卫星穿越服务星轨道面时的纬度幅角及期望的服务星初始纬度幅角；建立基于霍曼变轨调相的飞越轨道机动模型，以及巨型星座飞越的相位调整最小优化问题模型；对期望的服务星初始纬度幅角进行排序，确定最优飞越次序；计算服务星飞越星座卫星时需要调整的相位及轨道机动脉冲，得到巨型星座飞越的推进剂最省方案。本发明应用于航天领域，不仅能够求解包含上千颗卫星的巨型星座的较优飞越方案，而且能适应不同轨道高度、倾角的Walker‑Delta巨型星座，满足多样化的任务需求。技术研发人员：张进,石青,王柯茂,严冰,陈渊,张泽龙受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5