基于解耦合的航天器调度与燃料站部署协同任务规划方法

本发明涉及动态网络拓扑建模，具体涉及一种基于解耦合的航天器调度与燃料站部署协同任务规划方法。

背景技术：

1、在轨加注技术通过在轨道上对航天器进行推进剂补给，可显著提升航天器的机动能力、延长工作寿命、扩大任务覆盖范围，已成为国内外航天领域的研究热点。根据服务模式的不同，在轨加注任务可分为“一对多”“p2p（点对点）”“多对多”以及基于燃料站的在轨加注模式。

2、其中，基于燃料站的在轨加注模式允许服务航天器在任务周期内多次访问燃料站进行燃料补给，从而实现对多个目标航天器的长期、连续服务，具有较高的经济效益。在此模式下，燃料站的轨道部署位置与服务航天器的调度路径高度耦合，构成复杂的联合优化问题。

3、现有研究在解决该问题时，主要存在以下技术缺陷：

4、模型简化过度，忽略轨道相位交会条件：多数现有方法仅考虑轨道面间的转移，假设任务时间充裕，忽略服务航天器与目标航天器在交会时刻所需的精确相位同步条件，导致规划出的调度方案在实际工程中难以高效执行。

5、服务航天器工作模式费效比较低：在燃料站部署位置未知的情况下，现有方法通常要求服务航天器采用“点对点”模式，即每完成一个目标的加注任务后必须返回燃料站进行补给，方可执行后续任务，任务效率低、燃料浪费严重。

6、服务航天器与燃料站固定绑定，灵活性差：传统模式中，燃料站与服务航天器固连，服务航天器只能返回与之绑定的燃料站补充燃料，即使当前任务更接近其他燃料站也无法切换，限制了在轨加注系统的整体效能。

7、燃料站部署与服务航天器调度割裂处理：现有技术中，燃料站部署问题通常被简化为静态选址模型，未充分考虑服务航天器在动态任务时序中的燃料消耗与时间窗口约束，导致部署方案与调度方案不匹配。

8、因此，如何实现服务航天器调度与燃料站部署的高效协同规划，并使得规划结果符合真实轨道动力学约束，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为实现本发明目的，本申请提供了一种基于解耦合的航天器调度与燃料站部署协同任务规划方法，包括：

2、步骤s1：建立服务航天器调度模型，所述服务航天器调度模型用于确定服务航天器与目标航天器的分配关系及服务顺序；

3、步骤s2：在所述服务航天器调度模型中引入加油触发阈值，当服务航天器当前燃料量低于预设条件时，将当前服务的目标航天器标记为加油点，并定义随后的目标航天器为加后目标；

4、步骤s3：基于所述加油点与所述加后目标，构建加油事件，将原问题简化为无燃料容量约束的混合整数线性规划问题，求解得到服务航天器的任务调度方案；

5、步骤s4：根据所述任务调度方案，反解每个加油事件对应的燃料站可行部署区域；

6、步骤s5：将所有加油事件的燃料站部署需求抽象为集合覆盖模型，以最小化燃料站数量为目标，确定最优燃料站部署组合。

7、在其中一些具体实施例中，步骤s1中，

8、所述服务航天器调度模型采用兰伯特轨道转移策略，以实现服务航天器与目标航天器在交会时刻的相位精确匹配。

9、在其中一些具体实施例中，步骤s2中，所述预设条件包括：当前燃料量低于机动至下一目标所需消耗量、下一目标的需求量以及预设的加油阈值三者之和。

10、在其中一些具体实施例中，步骤s3中，构建加油事件包括：将服务航天器从所述加油点机动至燃料站、补充燃料后继续机动至所述加后目标的完整过程定义为一个加油事件。

11、在其中一些具体实施例中，单次加油事件的持续时间由服务航天器的补充加油时长阈值与满载状态下从所述加油点机动至所述加后目标所需时间共同确定。

12、在其中一些具体实施例中，所述加油事件中，服务航天器自加油点机动至燃料站的轨道转移窗口、在燃料站处的补给停泊窗口、以及自燃料站机动至加后目标的轨道转移窗口三者依次紧密衔接，构成连续且不可拆分的时空执行单元。

13、在其中一些具体实施例中，步骤s4中，反解燃料站可行部署区域时，引入以下约束：

14、服务航天器从加油点机动至燃料站的燃料消耗不超过其当前剩余燃料量；

15、服务航天器在燃料站补给后机动至加后目标的燃料消耗，不超过从同一加油点满载状态下直接机动至加后目标的燃料消耗；

16、每个加油事件的时间窗口与服务航天器的调度时序严格匹配。

17、在其中一些具体实施例中，步骤s5中，所述集合覆盖模型以最小化燃料站数量和燃料消耗为组合优化目标。

18、在其中一些具体实施例中，步骤s5中，服务航天器在任务周期内可自由选择任一已部署的燃料站进行燃料补给，服务航天器与燃料站之间无固定绑定关系。

19、在其中一些具体实施例中，所述燃料站可行部署区域为各加油事件基于双兰伯特转移轨道反解出的空间连续区域，该区域不依赖于预设的离散候选站点集合，而是由加油点、加后目标、燃料消耗上限及时间窗口共同约束的几何可行域。

20、上述技术方案的有益效果：

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、（1）解耦合建模，降低问题复杂度：本发明构建了一种双层规划模型，将服务航天器容量约束下的调度问题与燃料站部署问题进行解耦合。其中，服务航天器调度被简化为无容量约束的混合整数线性规划问题，燃料站部署被转化为集合覆盖问题，有效降低了联合优化的求解难度，提高了规划效率。

23、（2）采用精确轨道动力学，增强工程实用性：本发明采用兰伯特轨道转移策略实现服务航天器与目标航天器之间的相位精确匹配，充分考虑了燃料站、服务航天器及目标航天器在轨运行的移动特性，使得规划出的调度方案更加符合真实任务场景，避免了传统方法因忽略相位交会而导致的不可执行问题。

24、（3）引入加油事件概念，优化燃料补给逻辑：通过设定加油触发阈值并定义“加油点”“加后目标”“加油事件”，本发明将复杂的燃料补给过程抽象为标准化事件模块，使得服务航天器在燃料不足时能够合理规划补给时机，并在后续步骤中反解出燃料站的可行部署区域，实现了调度与部署的有机协同。

25、（4）服务航天器与燃料站解绑定，提升系统灵活性：本发明中，服务航天器在任务周期内可自由选择任意已部署的燃料站进行燃料补给，不再与特定燃料站固定绑定，显著提高了在轨加注系统的任务适应性、鲁棒性和经济性。

26、（5）燃料站部署区域连续可解，无需预设离散候选点：本发明基于各加油事件的燃料消耗、时间窗口及轨道转移约束，直接反解出燃料站的连续可行部署区域，无需预先定义离散的候选站点集合，避免了因候选点选取不当而导致的次优解，使得部署方案更加精确和灵活。

27、（6）关键参数可调，支持工程权衡分析：本发明明确了加油触发阈值和补充加油时长阈值对系统效能的影响，支持灵敏度分析，可根据实际任务需求调节上述参数，在燃料携带效率、机动能力、时间窗口约束之间进行合理权衡，具有良好的工程可操作性。

1.一种基于解耦合的航天器调度与燃料站部署协同任务规划方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于解耦合的航天器调度与燃料站部署协同任务规划方法，其特征在于，步骤s1中，

3.根据权利要求1所述的基于解耦合的航天器调度与燃料站部署协同任务规划方法，其特征在于，步骤s2中，所述预设条件包括：当前燃料量低于机动至下一目标所需消耗量、下一目标的需求量以及预设的加油阈值三者之和。

4.根据权利要求1所述的基于解耦合的航天器调度与燃料站部署协同任务规划方法，其特征在于，步骤s3中，构建加油事件包括：将服务航天器从所述加油点机动至燃料站、补充燃料后继续机动至所述加后目标的完整过程定义为一个加油事件。

5.根据权利要求4所述的基于解耦合的航天器调度与燃料站部署协同任务规划方法，其特征在于，单次加油事件的持续时间由服务航天器的补充加油时长阈值与满载状态下从所述加油点机动至所述加后目标所需时间共同确定。

6.根据权利要求4所述的基于解耦合的航天器调度与燃料站部署协同任务规划方法，其特征在于，所述加油事件中，服务航天器自加油点机动至燃料站的轨道转移窗口、在燃料站处的补给停泊窗口、以及自燃料站机动至加后目标的轨道转移窗口三者依次紧密衔接，构成连续且不可拆分的时空执行单元。

7.根据权利要求1所述的基于解耦合的航天器调度与燃料站部署协同任务规划方法，其特征在于，步骤s4中，反解燃料站可行部署区域时，引入以下约束：

8.根据权利要求1所述的基于解耦合的航天器调度与燃料站部署协同任务规划方法，其特征在于，步骤s5中，所述集合覆盖模型以最小化燃料站数量和燃料消耗为组合优化目标。

9.根据权利要求1所述的基于解耦合的航天器调度与燃料站部署协同任务规划方法，其特征在于，步骤s5中，服务航天器在任务周期内可自由选择任一已部署的燃料站进行燃料补给，服务航天器与燃料站之间无固定绑定关系。

10.根据权利要求6所述的基于解耦合的航天器调度与燃料站部署协同任务规划方法，其特征在于，所述燃料站可行部署区域为各加油事件基于双兰伯特转移轨道反解出的空间连续区域，该区域不依赖于预设的离散候选站点集合，而是由加油点、加后目标、燃料消耗上限及时间窗口共同约束的几何可行域。