一种基于启发式搜索的卫星集群构形设计方法与流程

1.本发明涉及大规模卫星集群构形设计技术领域，尤其涉及一种基于启发式搜索的卫星集群构形设计方法。


背景技术：

2.大规模卫星集群由于其卫星数目庞大，传统的构形数值优化方法都难以解决大规模卫星集群构形在轨快速设计的难题。基于相对e/i矢量方法，采用将大规模卫星集群进行分组的方式，分别完成分组中心点卫星的构形设计和组内卫星的构形设计，进而可实现大规模卫星集群构形在轨快速设计。


技术实现要素：

3.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于启发式搜索的卫星集群构形设计方法，可实现传统数值优化方法无法完成的在轨快速集群构形设计。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种基于启发式搜索的卫星集群构形设计方法，包括：
5.s1、根据大规模卫星集群总卫星数m，将大规模卫星集群分为n组，则除去集群中心卫星外每个分组内卫星数为k＝(m-n-1)/n颗，设计约束为任意两分组中心点卫星间及分组中心点与集群中心点卫星被动安全距离大于等于r
min
，任意两分组中心点卫星间及分组中心点与集群中心点卫星最大相对距离小于等于r
max
；
6.s2、将每个分组视为一个整体进行设计，通过建立r
max
/r
min
和n之间的关系来确定各分组中心点卫星相对e/i矢量的启发式搜索配置原则；
7.s3、在完成确定各分组中心卫星的配置后，则可知每组内包含k＝(m-n-1)/n个内部卫星，然后，依据每组内卫星被动安全距离r
min
、最大距离r
max
和组内卫星数目k的相互关系来确定每组内卫星相对e/i矢量的启发式搜索配置原则；
8.s4、在完成每组中心卫星和组内卫星相对e/i矢量的快速设计后，通过数学仿真验证所得到的大规模卫星集群构形是否满足关于组内和组间的被动安全距离以及最大距离约束条件，如果满足，输出设计结果；如果不满足，则改变组间和组内相对e/i矢量启发式搜索配置原则，直到得到可行解。
9.优选的，所述步骤2通过建立r
max
/r
min
和n之间的关系来确定各分组中心点卫星相对e/i矢量的启发式搜索配置原则，具体为：
10.如果r
max
/r
min
大于n，相对e/i矢量尽可能沿相对集群中心卫星的相对e/i矢量二维图的纵轴配置，且r
max
/r
min
大于n的程度越大，相对e/i矢量尽可能沿靠近相对集群中心卫星的相对e/i矢量二维图的纵轴配置，以期尽可能减少用于构形维持的燃料消耗；
11.如果r
max
/r
min
小于n，相对e/i矢量尽可能沿相对e/i矢量图的纵轴两侧配置，且r
max
/r
min
小于n的程度越大，相对e/i矢量约靠近沿相对e/i矢量图的纵轴两侧配置，以期尽
可能可能配置更多的分组中心卫星。
12.优选的，所述步骤3依据每组内卫星被动安全距离r
min
、最大距离r
max
和组内卫星数目k的相互关系来确定每组内卫星相对e/i矢量的启发式搜索配置原则，具体为：
13.如果r
max
/r
min
大于k，则组内卫星的相对e/i矢量尽可能沿相对于组内中心卫星的相对e/i矢量二维图的纵轴配置，且r
max
/r
min
大于k的程度越大，相对e/i矢量尽可能沿靠近相对组内中心卫星的相对e/i矢量图的纵轴配置，以期尽可能减少用于构形维持的燃料消耗；
14.如果r
max
/r
min
小于k，相对e/i矢量尽可能沿相对e/i矢量图的纵轴两侧配置，且r
max
/r
min
小于k的程度越大，相对e/i矢量约靠近沿相对e/i矢量图的纵轴两侧配置，以期尽可能可能配置更多的分组内成员卫星。
15.优选的，所述步骤4如果一直得不到可行解，则需考虑是不是一开始的约束条件选择不合理，需改变组间和组内安全距离与最大距离约束，直到得到可行解。
16.本发明的有益效果是：
17.本发明通过按星间距离关系将大规模集群进行分组，将大规模卫星集群在轨快速构形设计问题可分解为组内中心卫星与组内内部卫星设计与控制问题，并提出启发式搜索的构形设计方法，实现的大规模卫星集群构形在轨快速设计目标。
18.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
19.图1是本发明大规模卫星集群系统的分组概念的步骤流程图。
20.图2是本发明分组中心卫星配置步骤流程图。
21.图3是本发明组内卫星配置步骤流程图。
具体实施方式
22.实施例1
23.如图1所示，大规模卫星集群构形在轨快速设计与解析控制的难点在于如何将大规模卫星集群构形设计与控制分解为若干小计算量子问题的动力学建模与机理分析。考虑到集群系统构形设计与控制目标中的被动安全距离和星间最大距离都与卫星间相对距离关系密切，故按星间距离关系将大规模集群进行分组，既符合星间相对运动规律，又可大大简化大规模集群构形设计与控制难题。故提出大规模卫星集群分组方法，在大规模卫星集群系统中，设立若干个分组中心卫星，将该中心卫星作为分组中心，设置其最大影响区域，在其影响区域内，仅考虑影响球内卫星间的相对运动关系。这样，通过空间约束将大规模卫星集群进行自然分组，通过研究分组中心卫星运动和分组内卫星相对运动，即可得到全系统的运动状态。在构形设计过程中，仅需解决中心点的配置和分组内构形快速设计方法，即可完成系统构形快速设计。同时针对构形维持与重构，通过约束维持与重构过程中卫星的运动范围还在分组内，即可实现分组内卫星维持和重构过程中仅与分组内卫星相关，而与分组卫星运动无关，进而实现维持与重构控制问题规模的大幅缩减，使大规模卫星集群构形在轨快速设计与解析控制成为可能。
24.大规模卫星集群在轨快速构形设计问题可分解为分组中心卫星与分组内部卫星设计与控制问题。具体如下图所示，通过在相对e/i矢量空间内进行分解，进一步映射到三维空间最大区域簇。这样通过提出分组方法，将大规模卫星集群构形设计与控制问题转化为分组中心集和分组内部卫星配置集的设计问题，使大规模卫星集群在轨快速构形设计具有可行性。
25.实施例2
26.基于分组概念，针对包含m颗卫星的大规模卫星集群系统，设计约束为分组内卫星间被动安全距离为r
min
，最大距离为r
max
，分组中心点卫星间被动安全距离为r
min
，最大距离为r
max
，则大规模卫星集群在轨快速构形设计问题可转化为给出分组中心卫星相对e/i矢量的配置和分组内卫星相对e/i矢量的配置问题，该问题的解决方法为：
27.首先，确定分组中心卫星相对e/i矢量的配置方法，考虑到分组内任意两卫星间被动安全距离都应小于等于r
min
，所以可将分组视为一个整体进行设计，通过建立r
max
/r
min
和n之间的关系来确定分组中心点卫星相对e/i矢量的启发式搜索原则。如果r
max
/r
min
大于n，相对e/i矢量尽可能沿相对集群中心卫星的相对e/i矢量二维图的纵轴配置，且r
max
/r
min
大于n的程度越大，相对e/i矢量尽可能沿靠近相对集群中心卫星的相对e/i矢量二维图的纵轴配置，以期尽可能减少用于构形维持的燃料消耗。而如果r
max
/r
min
小于n，相对e/i矢量尽可能沿相对e/i矢量图的纵轴两侧配置，且r
max
/r
min
小于n的程度越大，相对e/i矢量约靠近沿相对e/i矢量图的纵轴两侧配置，以期尽可能可能配置更多的分组中心卫星。
28.在完成确定各分组中心卫星的配置后，则可知每组内包含k＝(m-n-1)/n个内部卫星。然后，依据每组内卫星被动安全距离r
min
、最大距离r
max
和组内卫星数目k的相互关系来确定每组内卫星相对e/i矢量的启发式搜索配置原则。如果r
max
/r
min
大于k，则组内卫星的相对e/i矢量尽可能沿相对于组内中心卫星的相对e/i矢量二维图的纵轴配置，且r
max
/r
min
大于k的程度越大，相对e/i矢量尽可能沿靠近相对组内中心卫星的相对e/i矢量图的纵轴配置，以期尽可能减少用于构形维持的燃料消耗。而如果r
max
/r
min
小于k，相对e/i矢量尽可能沿相对e/i矢量图的纵轴两侧配置，且r
max
/r
min
小于k的程度越大，相对e/i矢量约靠近沿相对e/i矢量图的纵轴两侧配置，以期尽可能可能配置更多的分组内成员卫星。
29.在完成每组中心卫星和组内卫星相对e/i矢量的快速设计后，通过数学仿真验证所得到的大规模卫星集群构形是否满足关于组内和组间的被动安全距离以及最大距离约束条件，如果满足，输出设计结果。如果不满足，则改变组间和组内相对e/i矢量启发式搜索配置原则，直到得到可行解。如果一直得不到可行解，则需考虑是不是一开始的约束条件选择不合理，需改变组间和组内安全距离与最大距离约束，直到得到可行解。
30.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。