一种航天器集群动态路径规划方法与流程

技术特征：
1.一种航天器集群动态路径规划方法，其特征在于，包括：步骤1，根据任务需求确定各成员航天器的初始目标点；步骤2，建立在三维空间内的航天器动力学方程，并根据各成员航天器的初始目标点，计算航天器集群中各成员航天器对应目标点的运动轨迹，得到各成员航天器最终的目标点；步骤3，根据任务需求确定路径规划中的约束条件并在三维空间内建立将空间障碍物考虑在内的各成员航天器逼近目标点的适应度函数；步骤4，初始化粒子群算法的粒子位置和速度，并根据适应度函数计算粒子的适应度函数值；步骤5，采用粒子群算法迭代计算粒子群的个体最优解以及全局最优解；根据全局最优解更新粒子的位置和速度；步骤6，根据粒子的位置和速度及适应度函数，计算粒子的适应度函数值，如果适应度函数值收敛，则输出最优解，得到航天器集群最优路径；如果适应度函数值不收敛，则返回步骤5。2.根据权利要求1所述的航天器集群动态路径规划方法，其特征在于，步骤2具体是：利用式(1)计算目标点公转导致的目标点运动轨迹；利用式(2)和式(3)计算由目标点自转导致的目标点运动轨迹，根据目标点公转导致的目标点运动轨迹和目标点自转导致的目标点运动轨迹得到目标点的运动轨迹；其中，矢量v为目标点的速度矢量；矢量r为目标点的位置矢量；标量r为目标点距离轨道中心的距离；为地球非球形扁状摄动导致的加速度变化矢量；为太阳引力摄动导致的加速度变化矢量；为月球引力摄动导致的加速度变化矢量；为太阳光压摄动导致的加速度变化矢量；其中，下标a表示各成员航天器到达目标点时刻，下标b表示初始时刻，[x,y,z]表示目标点在目标本体系下的位置状态，r表示旋转矩阵，具体定义如下：其中，q
i
(i＝0,1,2,3)表示四元数。3.根据权利要求1所述的航天器集群动态路径规划方法，其特征在于，步骤3中，所述约束条件包括式(4)的推力约束条件和式(5)的距离约束条件：0≤||u
k
||
l
≤u
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
其中，||u
k
||
l
表示第l个航天器在第k次机动所产生的脉冲幅值，u
max
表示航天器所能产生的最大推力上限；其中，表示第l个航天器与第j个航天器的最小距离阈值；表示第l个航天器与第j个航天器的当前距离；表示第l个航天器与第j个航天器的最大距离阈值。4.根据权利要求3所述的航天器集群动态路径规划方法，其特征在于，步骤3中，将空间障碍物考虑在内的各成员航天器逼近目标点的适应度函数如式(6)所示：其中，α1,α2,α3为权重系数，ε表示当粒子群每迭代到固定次数时，航天器将会交换个体信息优化航天器集群总燃料，取值为1，其余取值为0；为航天器到目前所经过的路径长度，为航天器到达目标点所需要经过的路径长度；penalty
i,t
表示避障过程中的惩罚函数。5.根据权利要求3所述的航天器集群动态路径规划方法，其特征在于，步骤5中，利用式(8)计算粒子群中个体最优解，利用(9)式计算粒子群的全局最优解：(8)计算粒子群中个体最优解，利用(9)式计算粒子群的全局最优解：其中，i为粒子序号；k为当前迭代次数；d为解的维数；为第i个粒子于第k次迭代时在第d维解上的位置信息；为第i个粒子于第k次迭代时在第d维解上的位置信息；为所有粒子前k次迭代的全局最优解。6.根据权利要求5所述的航天器集群动态路径规划方法，其特征在于，按式(10)更新粒子的位置和速度：其中，为第i个粒子于第k次迭代时在第d维解上的速度信息；ω惯性权重；c1、c2为非负常数；r1、r2为[0,1]之间的任意常数。7.根据权利要求3所述的航天器集群动态路径规划方法，其特征在于，步骤5中，粒子群每迭代n次后与其他粒子群的全局最优解交换信息，计算任意两全局最优粒子间的距离；如果任意两全局最优粒子间的距离满足边界约束条件式(5)，则应用当前的全局最优解更新粒子的位置和速度；否则，使用前一次迭代得到的全局最优解更新粒子的位置和速度；当迭代次数不是n的倍数时，若满足边界约束条件(5)，则每个粒子群使用当前的全局最优解，否
则使用前一次迭代得到的全局最优解。8.根据权利要求3所述的航天器集群动态路径规划方法，其特征在于，步骤5中，粒子群算法的搜索半径为动态搜索半径，如式(7)所示，其中，β1，β2，β3，β4为系数，通过改变系数β1，β2，β3，β4可以修改粒子群算法的搜索半径r和搜索半径的变化曲率。

技术总结
本发明提供一种航天器集群动态路径规划方法，由于三维空间内的轨道动力学方程非线性较强，因此考虑到航天器在空间中所受的空间力进行建模，通过协同粒子群算法来进行航天器集群的路径规划自主搜索过程，可以完美的在考虑空间障碍和航天器集群内部约束的条件下完成以燃料最优为优化指标的航天器集群路径规划。该方法在考虑三维空间内障碍物的前提下进行动态路径规划，在规避障碍物的前提下得到最优路径。路径。


技术研发人员：欧阳一农 方群 张震 宋金丰 上官晔婷
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2021.08.04
技术公布日：2021/11/8