一种兼顾时效性和燃料最优的卫星集群协同迁移重构方法 |
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申请号 | CN202311847299.X | 申请日 | 2023-12-29 | 公开(公告)号 | CN117908575A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
申请人 | 哈尔滨工业大学; | 发明人 | 李思远; 周荻; 邹昕光; | ||||
摘要 | 本 发明 提出一种兼顾时效性和 燃料 最优的卫星集群协同迁移重构方法。所述方法首先,建立了考虑多种空间摄动的星群相对运动模型。随后,针对星群中的主星,提出了一种改进粒子群 算法 的时间最优轨迹规划方法,实现主星的快速迁移。进而,针对其余成员卫星设计了一种结合鲁棒模型预测控制和蜂拥控制的协同 控制器 ,使从星能够快速协同的跟随主星到达任务 指定 的区域。最终,通过仿真实验,验证了控制策略的有效性,为星群的自主协同重构提供了一种有效的解决方案。 | ||||||
权利要求 | 1.一种兼顾时效性和燃料最优的卫星集群协同迁移重构方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤: |
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说明书全文 | 一种兼顾时效性和燃料最优的卫星集群协同迁移重构方法技术领域背景技术[0002] 大规模微纳星群的灵活性和适应性体现在其成员卫星能够根据任务的特定需求进行自主重构。在应急响应任务中,可能存在空间分布零散的多个任务目标。针对这种情况,微纳星群能够根据每个子任务的特殊需求自主划分成具备不同功能的子星群,并分别快速机动到各自指定区域独立完成任务,在此过程中成员卫星的协同重构是必不可少的。经调研,现有的星群重构控制方法缺少同时考虑响应时间和燃料的分布式优化设计,难以适应大规模星群重构控制。因此,本发明针对需要调度部分成员卫星机动到指定空间区域的应急响应任务,研究子星群的快速协同迁移策略。首先,决策出子星群内部成员卫星的主从关系,研究主星时间燃料最优轨迹规划方法。然后,根据生成的主星参考轨迹研究考虑预测蜂拥控制器,使从星跟随主星协同运动到任务位置,实现子星群的快速协同迁移。 发明内容[0003] 本发明目的是为了解决现有技术中的问题,提出了一种兼顾时效性和燃料最优的卫星集群协同迁移重构方法。 [0004] 本发明是通过以下技术方案实现的,本发明提出一种兼顾时效性和燃料最优的卫星集群协同迁移重构方法,所述方法包括以下步骤: [0005] 步骤一:建立多摄动条件下的卫星集群精确相对运动动力学模型,推导相应的动力学方程; [0006] 步骤二:根据星群中成员卫星的初始状态选出一颗主星,并以其作为根节点建立基于最小生成树的通信拓扑,其余的成员卫星将全部作为从星; [0008] 步骤四:针对从星,采用结合鲁棒模型预测控制和蜂拥控制的协同控制器,在成员卫星燃料最优的前提下快速跟踪主星的运动轨迹,并保持一定的安全距离; [0009] 步骤五:结合前几步设计的模型与控制策略,进行星群快速迁移重构的仿真实验分析。 [0010] 进一步地,在步骤一中,考虑到星群在近点空间运行会受到空间摄动的作用,需要对J2摄动和大气阻力进行建模,以精确描述卫星间的精确相对运动;卫星集群的相对运动动力学模型建立为: [0011] [0013] [0014] 式中,xi,yi和zi为第i个从星在LVLH坐标系下的推力分量,其余参数具体如下[0015] [0016] 进一步地,在步骤二中,以无向连通图G=(vs,V,ε,D,W)表示成员卫星之间的通信拓扑,其中,vs为集合V中唯一的根节点,vi表示第i通信节点,(vi,vj)表示第i个节点与第j个节点之间的边;d(vi)表示节点vi的度,dc(vi)∈N表示节点vi的通信上限,且D={dc(vi)|vi∈V};wij表示边(vi,vj)上的权值表示通信的延迟,且W={wij|(vi,vj)∈ε};假设,T是无向图G=(vs,V,ε,D,W)的一个生成树,且vs是树T的根节点,则P(vi)表示从vs到vi之间的路径,Q(P(vi))表示P(vi)上的总跳数,而根节点到叶节点的跳数上表示为rc(T)=max Q(P(vi));至*此,在通信约束条下的最小生成树T表示为: [0017] [0018] 进一步地,所述步骤二具体为: [0019] Step 1.定义节点集合S={vs}和 定义标量rs(vi)=dc(vi)表示节点度的余量,定义标量Hn(vi)=0表示第i个节点与根节点间的距离,定义Te为生成树的边集; [0020] Step 2.定义边集Se,将集合S中节点vi包含的边根据其权值的大小升序排列,并存储于集合Se中; [0021] Step 3.将Se中的边从上至下开始搜索与vi相连的节点vj,判断条件为rs(vj)>0和Hn(vj)≤radmax,若满足判断条件,则将边(vi,vj)存储与集合Te中,同时将vj存入集合S中; [0022] Step4.更新节点vi和vj上的信息标量,即,rs(vi)=rs(vi)‑1和rs(vj)=rs(vj)‑1; [0023] Step 5.判断S中节点vi的信息标量rs(vi)是否为0,若rs(vi)=0,则从S中将节点vi删除; [0024] Step 6.统计Te边的数量NT,若NT=n‑1,则Te为所求得的生成树;若NT<n‑1则返回step 2。 [0025] 进一步地,所述步骤三具体为: [0026] Step 1、定义种群大小N,定义迭代次数n,设置学习率常数α1,α2,设置惯性因子设置[0,1]间的两个随机常数变量r1和r2,并开始算法; [0027] Step 2、初始化粒子群,利用适应度函数计算每个粒子的适应度值,并记录最优解; [0028] Step 3、更新每个粒子的位置和速度,公式如下: [0029] [0030] Step 4、更新每个粒子的惯性因子,公式如下: [0031] [0032] 式中,平均适应度水平Jave和最优适应度Jmin; [0033] Step 5、比较前后两代粒子群的最优解,并进行更新; [0034] Step 6、判断是否到达迭代次数n,若到达迭代次数n,则结束计算,输出最优解X*,获得最优规划轨迹,否则,返回Step 3。 [0035] 进一步地,所述Step 2中计算公式包括: [0036] 所有粒子的空间位置和速度 [0037] [0038] 计算适应度函数: [0039] [0040] 式中,Ct为时间优化指标,Umax为主星推力幅值上限;定义空间目标的位置矢量为qfT=[xf,yf,zf],f(xi)为动力学方程,gi(t0)=gi0为初始条件,gi(tf)=gif为终端条件; [0041] 粒子的历史最优解为: [0042] [0043] 粒子群的最优解为: [0044] [0045] 进一步地,所述步骤四具体为: [0046] 首先,根据卫星相对运动动力学模型,建立从星相对于主星的运动方程为: [0047] [0048] 其中,动力学的表达式为 [0049] [0050] ui=[uix,uiy,uiz]T表示控制力,wi表示外部干扰,满足 [0051] [0052] 进而,忽略外部扰动建立标称系统如下: [0053] [0054] 令, [0055] 则 并且设计辅助控制器如下 [0056] [0057] 其中,满足 [0058] 进一步,将第i颗从星的状态定义为 主星的轨迹定义为基于标称模型设计模型预测控制器的指标函数如下: [0059] [0060] 式中,aij为通信拓扑邻接矩阵的元素,dm为从星间的期望间距,λi为松弛变量,其目的是保证优化问题的可解性,αi,βi,γi,μi和ηi为优化系数,则从星协同优化问题可以表示为: [0061] [0062] 式中, rs为星间安全距离; [0063] 最终,利用梯度下降法求解优化问题(17),得到从星标称系统重构过程中最优的协同控制输入 再将辅助控制器的输入补偿入 即可求得实际系统的优化控制输入*ui。 [0065] 本发明提出一种计算机可读存储介质,用于存储计算机指令,所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种兼顾时效性和燃料最优的卫星集群协同迁移重构方法的步骤。 [0066] 本发明的有益效果: [0067] 本发明提出一种兼顾时效性和燃料最优的卫星集群协同迁移重构方法。本发明针对需要调度部分成员卫星机动到指定空间区域的应急响应任务,研究子星群的快速协同迁移策略。首先,决策出子星群内部成员卫星的主从关系,研究主星时间燃料最优轨迹规划方法。然后,根据生成的主星参考轨迹研究考虑预测蜂拥控制器,使从星跟随主星协同运动到任务位置,实现子星群的快速协同迁移。附图说明 [0068] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。 [0069] 图1是卫星集群成员卫星间的相对运动关系示意图; [0070] 图2是基于最小生成树的星群拓扑生产算法示意图; [0071] 图3协同重构控制策略的算法流程图; [0072] 图4是主星优化的三维空间轨迹示意图; [0073] 图5是星群三维运动图; [0074] 图6是主星的位置跟踪误差结果图; [0075] 图7是从星的位置跟踪误差结果图; [0076] 图8是卫星间的相对距离示意图; [0077] 图9是虚拟参考卫星轨道根数结果图; [0078] 图10是星群成员卫星的初始状态结果图。 具体实施方式[0079] 下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。 [0080] 参阅图1‑图10,本发明提出一种兼顾时效性和燃料最优的卫星集群协同迁移重构方法,所述方法包括以下步骤: [0081] 步骤一:建立多摄动条件下的卫星集群精确相对运动动力学模型,推导相应的动力学方程; [0082] 步骤二:根据星群中成员卫星的初始状态选出一颗主星,并以其作为根节点建立基于最小生成树的通信拓扑,其余的成员卫星将全部作为从星; [0083] 步骤三:针对主星,基于改进的粒子群算法进行时间最优轨迹规划获取最佳的星群迁移路径; [0084] 步骤四:针对从星,采用结合鲁棒模型预测控制和蜂拥控制的协同控制器,在成员卫星燃料最优的前提下快速跟踪主星的运动轨迹,并保持一定的安全距离; [0085] 步骤五:结合前几步设计的模型与控制策略,进行星群快速迁移重构的仿真实验分析。 [0086] 在步骤一中,星群中成员卫星间的相对运动关系如图1所示。图1直观的描述了从星与主星在三维空间里的相对运动状态。其中,Oe‑XYZ表示地心惯性坐标系(Earth center inertial coordinates,ECI),而o‑xyz表示当地水平当地垂直坐标系(Local‑vertical lo‑cal‑horizontal coordinates,LVLH)。考虑到星群在近点空间运行会受到空间摄动的作用,需要对J2摄动和大气阻力进行建模,以精确描述卫星间的精确相对运动;卫星集群的相对运动动力学模型建立为: [0087] [0088] 式中, m为卫星质量,vx为卫星的径向速度,i为轨道倾角,Ω为升交点赤经,θ为纬度幅角,进而利用拉个朗日方程推导出,从星相对于主星的相对运动模型,具体为: [0089] [0090] 式中,xi,yi和zi为第i个从星在LVLH坐标系下的推力分量,其余参数具体如下[0091] [0092] 在步骤二中,对于最小生成树,Prim算法是1930年由Vojtch Jarník首次提出,Robert1957年再次独立发现的,该算法的核心是每次选择与当前顶点集最近的一个顶点,并记录两个顶点间的边,经过n‑1次搜索获得最小生成树。而考虑到卫星集群做搭载的通信设备较为简单,即存在一定的通信上限。因此,在Prim算法的基础上对每个节点的度和叶节点与根节点之间的跳数加以约束。首先给出一些定义,以无向连通图G=(vs,V,ε,D,W)表示成员卫星之间的通信拓扑,其中,vs为集合V中唯一的根节点,vi表示第i通信节点,(vi,vj)表示第i个节点与第j个节点之间的边;d(vi)表示节点vi的度,dc(vi)∈N表示节点vi的通信上限,且D={dc(vi)|vi∈V};wij表示边(vi,vj)上的权值表示通信的延迟,且W={wij|(vi,vj)∈ε};假设,T是无向图G=(vs,V,ε,D,W)的一个生成树,且vs是树T的根节点,则P(vi)表示从vs到vi之间的路径,Q(P(vi))表示P(vi)上的总跳数,而根节点到叶节点的跳数上表示为rc(T)=max Q(P(vi));至此,在通信约束条下的最小生成树T*表示为: [0093] [0094] 所述步骤二具体为: [0095] Step 1.定义节点集合S={vs}和 定义标量rs(vi)=dc(vi)表示节点度的余量,定义标量Hn(vi)=0表示第i个节点与根节点间的距离,定义Te为生成树的边集; [0096] Step 2.定义边集Se,将集合S中节点vi包含的边根据其权值的大小升序排列,并存储于集合Se中; [0097] Step 3.将Se中的边从上至下开始搜索与vi相连的节点vj,判断条件为rs(vj)>0和Hn(vj)≤radmax,若满足判断条件,则将边(vi,vj)存储与集合Te中,同时将vj存入集合S中; [0098] Step4.更新节点vi和vj上的信息标量,即,rs(vi)=rs(vi)‑1和rs(vj)=rs(vj)‑1; [0099] Step 5.判断S中节点vi的信息标量rs(vi)是否为0,若rs(vi)=0,则从S中将节点vi删除; [0100] Step 6.统计Te边的数量NT,若NT=n‑1,则Te为所求得的生成树;若NT<n‑1则返回step 2。 [0101] 所述步骤三具体为: [0102] Step 1、定义种群大小N,定义迭代次数n,设置学习率常数α1,α2,设置惯性因子设置[0,1]间的两个随机常数变量r1和r2,并开始算法; [0103] Step 2、初始化粒子群,利用适应度函数计算每个粒子的适应度值,并记录最优解; [0104] Step 3、更新每个粒子的位置和速度,公式如下: [0105] [0106] Step 4、更新每个粒子的惯性因子,公式如下: [0107] [0108] 式中,平均适应度水平Jave和最优适应度Jmin; [0109] Step 5、比较前后两代粒子群的最优解,并进行更新; [0110] Step 6、判断是否到达迭代次数n,若到达迭代次数n,则结束计算,输出最优解X*,获得最优规划轨迹,否则,返回Step 3。 [0111] 所述Step2中计算公式包括: [0112] 所有粒子的空间位置和速度 [0113] [0114] 计算适应度函数: [0115] [0116] 式中,Ct为时间优化指标,Umax为主星推力幅值上限;定义空间目标的位置矢量为qfT=[xf,yf,zf],f(xi)为动力学方程,gi(t0)=gi0为初始条件,gi(tf)=gif为终端条件; [0117] 粒子的历史最优解为: [0118] [0119] 粒子群的最优解为: [0120] [0121] 所述步骤四具体为: [0122] 首先,根据卫星相对运动动力学模型,建立从星相对于主星的运动方程为: [0123] [0124] 其中,动力学的表达式为 [0125] [0126] ui=[uix,uiy,uiz]T表示控制力,wi表示外部干扰,满足 [0127] [0128] 进而,忽略外部扰动建立标称系统如下: [0129] [0130] 令, [0131] 则 并且设计辅助控制器如下 [0132] [0133] 其中,满足 [0134] 进一步,将第i颗从星的状态定义为 主星的轨迹定义为基于标称模型设计模型预测控制器的指标函数如下: [0135] [0136] 式中,aij为通信拓扑邻接矩阵的元素,dm为从星间的期望间距,λi为松弛变量,其目的是保证优化问题的可解性,αi,βi,γi,μi和ηi为优化系数,则从星协同优化问题可以表示为: [0137] [0138] 式中, rs为星间安全距离; [0139] 最终,利用梯度下降法求解优化问题(17),得到从星标称系统重构过程中最优的协同控制输入 再将辅助控制器的输入补偿入 即可求得实际系统的优化控制输入*ui。 [0140] 仿真部分 [0141] 假设根据空间应急响应任务需求,需要一个包含10颗成员卫星的星群协同重构到其附近的一个空间目标点,并以一颗虚拟的参考卫星作为相对坐标系的基准,其轨道根数如图9所示。需要进行协同重构的星群成员卫星的初始状态如图10所示。以第一颗卫星作为‑3主星,卫星间的期望距离为dm=400m,安全距离rs=100m,J2=1.8263×10 ,推力上限为1N。 [0142] 本发明提出一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种兼顾时效性和燃料最优的卫星集群协同迁移重构方法的步骤。 [0143] 本发明提出一种计算机可读存储介质,用于存储计算机指令,所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种兼顾时效性和燃料最优的卫星集群协同迁移重构方法的步骤。 [0144] 本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器,或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中,非易失性存储器可以是只读存储器(read only memory,ROM)、可编程只读存储器(programmable ROM,PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable PROM,EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM,EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory,RAM),其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明,许多形式的RAM可用,例如静态随机存取存储器(static RAM,SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic RAM,DRAM)、同步动态随机存取存储器(synchronous DRAM,SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(doubledata rate SDRAM,DDR SDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced SDRAM,ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink DRAM,SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambus RAM,DRRAM)。应注意,本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。 [0145] 在上述实施例中,可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时,可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时,全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中,或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输,例如,所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line,DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如,软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如,高密度数字视频光盘(digital video disc,DVD))、或者半导体介质(例如,固态硬盘(solid state disc,SSD))等。 [0146] 在实现过程中,上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成,或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器,闪存、只读存储器,可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器,处理器读取存储器中的信息,结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复,这里不再详细描述。 [0147] 应注意,本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片,具有信号的处理能力。在实现过程中,上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成,或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器,闪存、只读存储器,可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器,处理器读取存储器中的信息,结合其硬件完成上述方法的步骤。 [0148] 以上对本发明所提出的一种兼顾时效性和燃料最优的卫星集群协同迁移重构方法进行了详细介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。 |