CN107885917A - 基于异面变轨策略的卫星星座重构方法、设备及存储设备 - Google Patents

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戴光明
王茂才
彭雷
宋志明
武云
罗鑫
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    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation

Abstract

本发明提供了基于异面变轨策略的卫星星座重构方法、设备及存储设备，所述方法包括步骤：确定星座重构的优化决策变量；确定星座重构的目标函数；确定卫星机动变轨过程中的能量消耗函数；确定星座重构中的卫星机动变轨方案及卫星机动变轨策略；以所述优化决策变量、目标函数及能量消耗函数作为约束条件，采用所述卫星机动变轨方案及卫星机动变轨策略完成卫星机动变轨，得到重构的卫星星座。基于异面变轨策略的卫星星座重构设备及存储设备，用来实现所述基于异面变轨策略的卫星星座重构方法。本发明可以满足应急任务对卫星网络组网的性能需求。

Description

基于异面变轨策略的卫星星座重构方法、设备及存储设备
技术领域
本发明涉及航天通信及计算机技术领域，具体涉及基于异面变轨策略的卫星星座重构方法、设备及存储设备。
背景技术
随着中国综合国力的不断提升，中国的航天技术不断发展，中国的在轨卫星数量越来越多。当突发应急事件发生时，可以利用相关仿真软件计算当前可用卫星星座对目标地区的覆盖性能，并分析计算结果。目前，如何使得当前可用卫星星座对目标区域的覆盖性能满足需求，如，覆盖时间尽可能长，覆盖时间间隔尽可能短，就成为业界关注的问题。
发明内容
本发明提供了基于异面变轨策略的卫星星座重构方法、设备及存储设备，可以有效解决上述问题。
本发明提供的技术方案是：基于异面变轨策略的卫星星座重构方法，所述方法包括步骤：确定星座重构的优化决策变量；确定星座重构的目标函数；确定卫星机动变轨过程中的能量消耗函数；确定星座重构中的卫星机动变轨方案及卫星机动变轨策略；以所述优化决策变量、目标函数及能量消耗函数作为约束条件，采用所述卫星机动变轨方案及卫星机动变轨策略完成卫星机动变轨，得到重构的卫星星座。存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现所述基于异面变轨策略的卫星星座重构方法。基于异面变轨策略的卫星星座重构设备，所述设备包括处理器及所述存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现所述的基于异面变轨策略的卫星星座重构方法。
本发明的有益效果是：本发明提供了基于异面变轨策略的卫星星座重构方法、设备及存储设备，通过卫星机动变轨的方式，优化卫星的轨道参数，改变卫星星座的空间构型，对卫星星座进行重构，从而满足应急任务对卫星网络组网的性能需求。
附图说明
图1是本发明实施例中基于异面变轨策略的卫星星座重构方法的整体流程图；
图2是本发明实施例中优化决策变量的概念示意图；
图3是本发明实施例中Lambert变轨原理示意图；
图4是本发明实施例中各参数设置方式界面示意图；
图5是本发明实施例中卫星优化结果示意图；
图6是本发明实施例中优化后重构星座的构型及覆盖分析示意图；
图7是本发明实施例中优化重构后卫星星座对汶川地区部分覆盖细节及统计示意图；
图8是本发明实施例的硬件设备工作示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述，下文中提到的具体技术细节，如：方法，设备等，仅为使读者更好的理解技术方案，并不代表本发明仅局限于以下技术细节。
本发明的实施例提供了基于异面变轨策略的卫星星座重构方法、设备及存储设备。请参阅图1，图1是本发明实施例中基于异面变轨策略的卫星星座重构方法的整体流程图，所述方法由硬件设备实现，具体步骤包括：
S101：确定星座重构的优化决策变量，所述优化决策变量具体包括：升交点赤经Ω、近地点幅角ω及平近点角M；所述优化决策变量的维数为优化决策变量的个数与卫星个数的乘积。所述优化决策变量的约束条件为角度的取值范围，即，所述优化决策变量取大于等于0°小于360°的任一角度，具体表达式为：
S102：确定星座重构的目标函数。所述目标函数具体包括：最大化时间覆盖率和最小化最大覆盖时间间隔。设任务执行的时长为T，优化重构后的星座对目标的累积覆盖时间为两次获取目标地区信息之间的时间间隔为Δti，则目标函数的表达式为：
S103：确定卫星机动变轨过程中的能量消耗函数。所述能量消耗函数具体包括：所有卫星机动变轨的能量消耗之和取最小值。设n个卫星被要求机动去n个新位置，规定每颗卫星只被机动到一个新位置，每个新位置只需要一颗卫星机动过去。已知第i颗卫星机动到第j个新位置的最小能量消耗为cij(i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，n)，并假设cij≥0，由cij组成的方阵C＝(Cij)n×n称为能量消耗矩阵，所述能量消耗矩阵如表1所示，问题可以描述为：应如何分配卫星机动方案才能使总能量消耗最低。
表1
设决策值为：
所述能量消耗函数为：
显然，对于最终的方案矩阵X＝(xij)n×n，它的每一行与每一列都只有一个1，代表一次分派，其他位置都为0。
由模型可知，此问题为运筹学中的指派问题。指派问题可以用0-1规划或者运输问题的单纯型法求解，但是计算量较大。匈牙利数学家克尼格根据指派问题的特点提出了求解指派问题的简单方法，即匈牙利法。
S104：确定星座重构中的卫星机动变轨方案及卫星机动变轨策略，具体包括：所述卫星机动变轨方案为Lambert变轨；所述卫星机动变轨策略为每颗卫星变轨到预先设定的目标轨道上，具备相同传感器和视场角的卫星通用各自的目标轨道。具体地，假设卫星星座由8颗卫星组成：sat1，sat2，sat3，sat4，sat5，sat6，sat7，sat8，其中sat1，sat2，sat3，sat4都是条带覆盖且幅宽相等(具有相同的传感器)且视场角相同，而sat5，sat6，sat7，sat8传感器不一样。星座优化后8颗卫星组成新星座，某时刻有8颗卫星优化后的空间位置，假设为_sat1，_sat2，_sat3，_sat4，_sat5，_sat6，_sat7，_sat8，由于前4颗卫星传感器一样，所以需要前四颗卫星分别机动到_sat1，_sat2，_sat3，_sat4位置，每颗卫星机动到其中的任意一个位置即可，任意位置也只需要一颗卫星机动过去。而卫星sat5，sat6，sat7，sat8则需对应机动到各自优化后的位置_sat5，_sat6，_sat7，_sat8。所述Lambert变轨中包含两次脉冲，分别为：初始轨道脱离脉冲及目标轨道进入脉冲。卫星收到变轨命令时刻记为t0,目标轨道进入脉冲发生的时刻记为t1，初始轨道脱离脉冲发生的时刻记为t，则t∈[t0，t1)。
S105：以所述优化决策变量、目标函数及能量消耗函数作为约束条件，采用所述卫星机动变轨方案及卫星机动变轨策略完成卫星机动变轨，得到重构的卫星星座。
参见图2，图2是本发明实施例中优化决策变量的概念示意图，包括：三维笛卡尔坐标系XYZ、地心201、升交点202、地球203、近地点204、卫星205、近日点206、平近点角207、卫星轨道208、近地点幅角209、升交点赤经210、北极211、太阳212及日心213。升交点202为卫星在从南向北极211运动过程中与赤道平面的交点，升交点赤经210为升交点202与春分点的经度差，近地点幅角209为近地点204、地心201及升交点202形成的夹角，平近点角207为近日点206、卫星205及日心213形成的夹角。
参见图3，图3是本发明实施例中Lambert变轨原理示意图，包括：变轨前卫星301、初始卫星轨道302、目标卫星轨道303及变轨后卫星304。Lambert变轨原理可以描述为：给定卫星初始时刻的位置r1、末端时刻的位置r2和转移时长ΔT，可以确定转移轨道，求出转移轨道上r1、r2位置的速度v1、v2，则(v1,v2)＝Lambert(r1,r2,ΔT)。卫星优化前t时刻的位置即为r1，优化后t1时刻的位置即为r2，lambert变轨第二次脉冲时刻为t1，第一次脉冲时刻t的取值范围：t∈[t0，t1)，这里t0表示可以实行机动的最早时刻(即接到任务的时刻)。现在的问题是找出最优的第一次脉冲时刻t，使卫星在t1时刻到达目标位置，且两次脉冲时刻耗能最小。
第一次脉冲时刻t，t∈[t0，t1)，将时间段[t0，t1)按一定的阶段划分为若干时刻，对应于第一次脉冲时刻t，求卫星在初始轨道上的位置矢量r1，速度矢量v10，计算t1时刻目标轨道上的位置矢量r2，速度矢量v20，转移时长ΔT＝t1-t，然后利用Lambert变轨求速度v1、v2：
(v1,v2)＝Lambert(r1,r2,ΔT)
两次脉冲的能量值分别为：
Δv1＝v1-v10
Δv2＝v20-v2
总能量为：
|Δv|＝|Δv1|+|Δv2|
找出使得min(|Δv1|+|Δv2|)对应的时刻t作为第一次脉冲时刻，t时刻对应的能量值即为机动所需能量。
以汶川大地震为例，地震发生时，相关部门领导为了及时获取受灾地区的动态，需要利用某些对地观测卫星来观测事发地的实时动态。假设当前有8颗卫星可供执行此任务，8颗卫星的初始卫星星座的参数如表2所示，要求这8颗卫星组成的卫星星座在一段时间内对汶川的覆盖性能尽可能的好。假设要求任务的执行时间为：2008年5月12日～2008年5月13日。需要观测的目标汶川的参数如表3所示。
表2
表3
地面站名称 经度(度) 纬度(度) 高度(千米)
汶川 103.4 31 0
应急事件发生时，为了提高卫星星座对事件发生地的覆盖性能，按照本发明中介绍的模型对卫星星座进行优化重构，让重构后的卫星星座来执行紧急任务。任务执行时间为：2008年5月12日～2008年5月13日，得到任务的时间为2008年5月11日，选取汶川作为观测点：(E103.4,N31)。星座重构前，原卫星星座对汶川的覆盖率为0.416378％，在任务执行时间内覆盖6次。
参见图4，图4是本发明实施例中各参数设置方式界面示意图，包括：星座优化界面401、参数设置界面402、优化算法参数设置界面403及优化算法执行界面404。具体地址，采用了NSGA-II算法对卫星星座进行优化。
参见图5，图5是本发明实施例中卫星优化结果示意图，包括：最大覆盖率501及最大覆盖间隙502。由图中可见，最大覆盖率501的数值为2.567661％，最大覆盖间隙502的数值为227分钟(3小时47分0秒)。由图中可知，使用本发明方法后的最大覆盖率提高了6倍以上，最大覆盖率提高明显。
表4是组成新星座的8颗卫星在2008年5月12日0时0分时刻的参数，与原星座(表2)相比，只有升交点赤经、近地点幅角、平近点角不一样。
表4
卫星名称 a(千米) e i(度) Ω(度) ω(度) M(度)
sat1 7479.5036 0.007727 98.04046 96.02008 314.77732 272.98806
sat2 7602.8866 0.01203 99.07709 14.12772 179.72320 238.15246
sat3 8622.6611 0 99.02258 208.20692 292.27318 282.94572
sat4 7322.8951 0.005544 97.14863 102.61864 112.44874 345.76133
sat5 7475.5287 0.009589 96.87538 54.39754 249.94199 200.74326
sat6 7997.8713 0.001614 97.25477 336.77269 23.84750 1.97683
sat7 12428.453 0 36.12393 214.23412 178.49503 252.87492
sat8 6984.1113 0 97.47538 133.28631 77.26231 171.69051
参见图6，图6是本发明实施例中优化后重构星座的构型及覆盖分析示意图，包括：卫星601、卫星轨道602、地球603、优化后重构星座对wenchuan的覆盖时间区域604及优化后重构星座对wenchuan的未覆盖时间区域605。其中，优化重构后星座对wenchuan的覆盖时间比率为2.567661％。
参见图7，图7是本发明实施例中优化重构后卫星星座对汶川地区部分覆盖细节及统计示意图，包括：卫星覆盖时间区域701、总覆盖次数702、最大覆盖间隔703、单次覆盖时间间隔704及单次覆盖时刻点705。由图中可见，总覆盖次数702总共为37次，最大覆盖间隔703为3小时47分0秒(227分钟)。
假设表2中前四颗卫星sat1、sat2、sat3、sat4优化前的位置分别用A1、B1、C1、D1表示，优化后的位置分别用_sat1、_sat2、_sat3、_sat4表示。由于sat1、sat2、sat3、sat4所带传感器一样，所以只需要将四颗卫星中的任意一颗机动到_sat1位置，剩下三颗中的任意一颗机动到_sat2位置，剩下两颗的任意一颗机动到_sat3位置，最后一颗机动到_sat4位置，相当于对四颗卫星做一个排序，让其分别机动到位置_sat1、_sat2、_sat3、_sat4，这样就确定了机动方案，方案的确定是基于能量最优，采用匈牙利算法进行求解。用匈牙利算法来解决此问题需要先确定四颗卫星的能量消耗矩阵。
根据每颗卫星的lambert变轨结果，取每颗卫星机动到不同位置的最优能量可以构建能量消耗矩阵，表5表示sat1～sat4能量消耗矩阵，其中第i行第j列的值表示卫星i机动到卫星j优化后位置的最小能量值。
表5
_sat1 _sat2 _sat3 _sat4
sat1 7.81679 8.45078 3.62942 6.55009
sat2 7.5556 8.25069 3.15936 7.68273
sat3 6.76497 7.09778 2.5193 9.17836
sat4 8.15803 8.44046 3.03422 7.58415
表6是sat1～sat4机动变轨方案，采用匈牙利法计算出的卫星机动变轨最优方案，能量最优结果为：sat1机动到sat4优化后的位置、sat2机动到sat 1优化后的位置、sat 3机动到sat 2优化后的位置、sat 4机动到sat 3优化后的位置。
表6
_sat1 _sat2 _sat3 _sat4
sat1 6.55009
sat2 7.5556
sat3 7.09778
sat4 3.03422
表7是每颗卫星的Lambert变轨最优解，表中包括第一次脉冲时刻、第一次脉冲能量、第二次脉冲时刻、第二次脉冲能量和总能量值。
表7
参见图8，图8是本发明实施例的硬件设备工作示意图，所述硬件设备具体包括：基于异面变轨策略的卫星星座重构设备801、处理器802及存储设备803。
基于异面变轨策略的卫星星座重构设备801：所述基于异面变轨策略的卫星星座重构设备801实现所述基于异面变轨策略的卫星星座重构方法。
处理器802：所述处理器802加载并执行所述存储设备803中的指令及数据用于实现所述的基于异面变轨策略的卫星星座重构方法。
存储设备803：所述存储设备803存储指令及数据；所述存储设备803用于实现所述的基于异面变轨策略的卫星星座重构方法。
通过执行本发明的实施例，本发明权利要求里的所有技术特征都得到了详尽阐述。
区别于现有技术，本发明的实施例提供了基于异面变轨策略的卫星星座重构方法、设备及存储设备，通过卫星机动变轨的方式，优化卫星的轨道参数，改变卫星星座的空间构型，对卫星星座进行重构，从而满足应急任务对卫星网络组网的性能需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于异面变轨策略的卫星星座重构方法，所述方法由硬件设备实现，其特征在于：包括以下步骤：确定星座重构的优化决策变量；确定星座重构的目标函数；确定卫星机动变轨过程中的能量消耗函数；确定星座重构中的卫星机动变轨方案及卫星机动变轨策略；以所述优化决策变量、目标函数及能量消耗函数作为约束条件，采用所述卫星机动变轨方案及卫星机动变轨策略完成卫星机动变轨，得到重构的卫星星座。
2.如权利要求1所述的基于异面变轨策略的卫星星座重构方法，其特征在于：所述优化决策变量具体包括：升交点赤经、近地点幅角及平近点角；所述优化决策变量的维数为优化决策变量的个数与卫星个数的乘积。
3.如权利要求2所述的基于异面变轨策略的卫星星座重构方法，其特征在于：所述优化决策变量的约束条件为角度的取值范围，即，所述优化决策变量取大于等于0°小于360°的任一角度。
4.如权利要求1所述的基于异面变轨策略的卫星星座重构方法，其特征在于：所述目标函数具体包括：最大化时间覆盖率和最小化最大覆盖时间间隔。
5.如权利要求1所述的基于异面变轨策略的卫星星座重构方法，其特征在于：所述能量消耗函数具体包括：所有卫星机动变轨的能量消耗之和取最小值。
6.如权利要求1所述的基于异面变轨策略的卫星星座重构方法，其特征在于：所述确定星座重构中的卫星机动变轨方案及卫星机动变轨策略具体包括：所述卫星机动变轨方案为Lambert变轨；所述卫星机动变轨策略为每颗卫星变轨到预先设定的目标轨道上，具备相同传感器和视场角的卫星通用各自的目标轨道。
7.如权利要求6所述的基于异面变轨策略的卫星星座重构方法，其特征在于：所述Lambert变轨中包含两次脉冲，分别为：初始轨道脱离脉冲及目标轨道进入脉冲。
8.如权利要求7所述的基于异面变轨策略的卫星星座重构方法，其特征在于：卫星收到变轨命令时刻记为t0,目标轨道进入脉冲发生的时刻记为t1，初始轨道脱离脉冲发生的时刻记为t，则t∈[t0，t1)。
9.存储设备，其特征包括：所述存储设备存储指令及数据用于实现权利要求1～8所述的任意一种方法。
10.基于异面变轨策略的卫星星座重构设备，其特征在于：包括：处理器及所述存储设备；所述处理器加载并执行权利要求9中所述存储设备中的指令及数据用于实现权利要求1～8所述的任意一种方法。
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