CN108362292A - 一种基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法，使在确定火星导航敏感器安装位置的过程中，利用遗传算法进行可行解全区域搜索。搜索的自变量为描述导航敏感器光轴指向的赤经和赤纬；其有益效果是，基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局方法，使得可以在火星环绕器所有可行的安装区域内，以环火可用弧段最长为搜索目标，搜索得到火星导航敏感器最优的光轴指向，增加了火星环绕器自主导航的可用弧段，提高火星环绕器轨道计算的自主性。

Description

一种基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法

技术领域

本发明涉及一种火星导航敏感器安装布局优化技术，用于火星环绕器自主导航方案设计。

背景技术

火星环绕器距离地球的最远距离约4亿公里，器地通信单程最大时延约22分钟，为了提高火星环绕器在轨运行的自主性及可靠性，需具备自主导航功能。器载计算机需要进行导航敏感器的输出采样，导航算法的执行以及导航信息的解算输出等。

目前国内航天任务的导航方式，一般均为建立简化的航天器轨道动力学模型，依靠地面测定轨上注的轨道初值，在轨进行轨道递推。对于火星探测任务来说，受轨道递推动力学模型精度及递推初值精度的限制，随着递推时间的推移，轨道计算误差会越来越大，而器地距离导致地面测定轨数据无法及时更新到器上。

此外，火星探测任务还存在日凌等特殊天文现象，此时无法建立器地上下行通信链路，器上轨道递推初值无法更新，导致火星环绕器在轨无法正常工作。需要具有自主导航功能，而导航敏感器的安装位置决定了自主导航实施的具体弧段。

随着火星探测等深空探测任务对导航自主性的要求不断提高，需要在设计阶段确定导航敏感器的安装布局位置，目前，仅根据各天体及敏感器光轴之间的几何关系，大致确定导航敏感器的光轴指向，此方法无法做到安装位置最优。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种火星导航敏感器的安装布局优化方法，采用遗传算法对可行的安装位置进行全局搜索，以敏感器可用飞行弧段最长为目标函数，增加自主导航的可用弧段，提高火星环绕器轨道计算的自主性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法，其包含以下过程：

A1、确定火星导航敏感器光轴可能的指向区域，并将光轴指向用火星环绕器本体坐标系下的赤经和赤纬来描述，建立以赤经和赤纬为两维自变量，优化目标为可用弧段最大的目标函数；

A2、在赤经和赤纬的可行域内随机生成第一数量的光轴指向；

A3、依次计算每种光轴指向对应的目标函数值，记录下最大的目标函数值以及其所对应的赤经与赤纬；对每种光轴指向对应的目标函数值由大到小进行排序；

A4、在当前种群，按照预先设定的代沟值进行选择操作，从当前种群排序后的光轴指向中，选取第二数量的目标函数值较大的个体；

A5、对选出的个体两两配对后进行交叉及变异操作，再引入在赤经和赤纬的可行域内随机生成的第三数量的新的个体，得到新的第一数量的光轴指向作为新的种群，使每次迭代的种群的个体数量一致；

A6、对新的种群依次进行A3-A5的操作，根据设定的次数进行迭代，将所有迭代过程中目标函数值最大的种群输出。

优选地，赤经为火星导航敏感器的光轴在Xhb/Ohb/Yhb平面的投影与+Xhb轴的夹角，从+Zhb方向看，自+Xhb逆时针为正，取值范围0～360°；

赤纬为火星导航敏感器的光轴与Zhb轴的夹角，取值范围为-90°～+90°，当光轴与+Zhb轴的夹角为锐角时，取正；当光轴与-Zhb轴的夹角为锐角时，取负。

优选地，步骤A1中，赤经的可行域取10°～270°；赤纬的可行域为正时取-60°～-30°，为负时取30°～60°，优化的目标函数为环火轨道可用弧段最大。

优选地，步骤A2及A5中个体的第一数量为200。

优选地，步骤A4中的代沟值为0.9，选出的个体的第二数量为180。

优选地，步骤A5中引入的新个体的第三数量为第一数量与第二数量的差值。

优选地，迭代的次数是200。

优选地，第二数量设为s；

步骤A5中对选出的第二数量的个体进行两两配对时，将第1种个体与第(1/2)s+1种个体分为一组，第2种个体与第(1/2)s+2种个体分为一组，依次类推，得到(1/2)s组；

在(1/2)s组中，每种个体的赤经和赤纬以有符号的10位二进制数表示，进行交叉操作时，将每一组中两种个体对应的赤经和赤纬的若干个指定位数分别互换，得到新的(1/2)s组；

在两两配对及交叉操作后，得到共s组赤经和赤纬的组合。

优选地，步骤A5中，当前种群完成交叉及变异操作后进行重构操作，将每种个体的赤经和赤纬转换为十进制，再引入重新随机生成的新的个体，得到新的种群。

优选地，步骤A5中，以第一概率确定配对后的任意一组是否进行交叉操作；确定进行交叉操作的每一组中，以第二概率确定该组中进行高位的指定位数互换或进行低位的指定位数互换。

优选地，步骤A5中进行交叉操作后的每一组中，以第三概率确定该组赤经和赤纬的组合的每一位是否进行变异操作；确定进行变异操作的位，此位原始为0时变为1，原始为1时变为0。

优选地，交叉操作对应的第一概率为0.9。

优选地，位数互换对应的第二概率为0.5。

优选地，基于第二概率进行高5位互换或低5位互换。

优选地，每位变异对应的第三概率为0.05。

本发明采用的方法与现有技术相比，其优点和有益效果是：

本发明通过一种基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法，解决了火星探测任务导航敏感器的安装优化布局问题，使得火星导航敏感器的可用弧段最大，火星环绕器长期环火运行时不需要地面支持，从而提高了火星环绕器在轨运行的自主性与可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，其中：

图1为本发明所述方法的流程示意图；

图2为火星环绕器的极性定义；

图3为利用赤经和赤纬描述导航敏感器光轴指向的示意图；

图4为对种群进行“选择”及“交叉”操作的流程；

图5为对种群进行“变异”操作的流程。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法，包括如下步骤：

S1、确定火星导航敏感器光轴可能的指向区域，并将光轴指向用火星环绕器本体坐标系下的赤经和赤纬来描述，建立以赤经和赤纬为两维自变量，优化目标为可用弧段最大的目标函数。

S2、在赤经和赤纬的可行域内随机生成光轴指向，并依次计算目标函数值，记录下最大的目标函数值以及其所对应的赤经与赤纬，并按照目标函数值由大到小进行排序。

S3、对当前种群，按照预先设定的代沟值进行选择操作，从当前种群中选取一定数量的目标函数值较高的个体。

S4、对选出的个体两两配对后进行“交叉”及“变异”操作，再引入新的个体，确保每代种群中的个体数目一致。

S5、对新的种群依次进行“评价”、“选择”、“交叉”、“变异”及“重构”操作，并将所有代的最优种群输出。

以下提供一个优选示例中的参数配置：

步骤S1中用赤经和赤纬描述光轴在火星环绕器本体系下的指向，赤经的可行域取10°～270°，赤纬的可行域取-60°～-30°和30°～60°，优化的目标函数为环火轨道可用弧段最大。

步骤S2中，随机生成光轴指向个体数目为200，并根据目标函数对所有个体依次进行评价后，按目标函数值，从大到小进行排序，并记录当前代最大的目标函数值及对应的赤经和赤纬。

步骤S3中，代沟值取0.9，即从当前种群200个个体中选取180个组成母种群。

步骤S4中，交叉的概率取0.9，确定进行交叉操作后，高5位或低5位交叉的概率分别为0.5，每位的变异概率取0.05。

步骤S5中，确保每代种群中的个体数目均为200，算法迭代200代，并将200代中所有个体的最优值输出。

对于上述的优选示例，其具体实施的过程如下：

1)确定火星导航敏感器光轴可能的指向区域，将光轴指向用赤经和赤纬来描述；建立以赤经和赤纬为两维自变量，以可用弧段最大为优化目标的目标函数。

2)在赤经和赤纬的可行域内随机生成200种光轴指向，依次计算目标函数值，并对每种指向对应的函数值从大到小排序，记录下最大值所对应的指向参数。

3)选取当前200种光轴指向中的可用弧段最大的前180种(代沟值取0.9)，将每组数据的赤经和赤纬以有符号的10位二进制数表示，以第1种和第91种为一组，第2种与第92种为一组，依次类推，共得到90组，将此90组中的对应的赤经和赤纬的低八位分别互换，得到新的90组，共180种赤经和赤纬的组合。

4)对每一种赤经和赤纬的组合的每一位以0.05的概率进行“变异”操作，即若条件符合触发“变异”，则此位的“0”变为“1”，“1”变为“0”。

5)将进行“变异”操作后的180种赤经和赤纬的组合转换成十进制，并重新随机生成20种组合，组成新的200种光轴指向。

6)对新的200种光轴指向，重复2)-5)步，将所有迭代过程中的最大值输出。

如图2所示，火星环绕器推力器的反方向为+Xhb轴，指向火星方向为+Zhb轴，+Yhb轴与+Xhb、+Zhb符合右手定则。如图3所示，为火星导航敏感器光轴指向示意图及可行的光轴指向区域。

本发明根据火星环绕器的极性定义及工作模式，首先需要确定火星导航敏感器在火星环绕器上的可能安装位置，即确定火星导航敏感器光轴可能的指向区域。之后在可能的指向区域，随机选取200种指向方式，分别计算目标函数的值，目标函数如下：

maxL＝f(α,β)

描述火星导航敏感器光轴指向的变量：α为导航敏感器光轴的赤经，定义为导航敏感器的光轴在Xhb/Ohb/Yhb平面的投影与+Xhb轴的夹角，从+Zhb方向看，自+Xhb逆时针为正，取值范围0～360°。

β为导航敏感器光轴的赤纬，定义为导航敏感器的光轴与Zhb轴的夹角，取值范围为-90°～+90°，当光轴与+Zhb夹角为锐角时，取正；当光轴与-Zhb夹角为锐角时，取负。

记录下目标函数的最大值及其对应的光轴指向，并对目标函数值由大到小进行排序，选取前180个种群，两两配对后按0.9的概率进行“交叉”操作，按0.05的概率进行“变异”操作。并随机生成20种光轴指向，保证每代种群均有200个个体。

如图4所示，为对种群进行“选择”及“交叉”操作的流程：

首先对当前种群进行“评价”，即分别计算当前200个种群的目标函数值，对200个目标函数值进行排序，选取前180个种群，并将目标函数值最大的种群记录下来。此后，对按照预定规则180个种群进行两两配对，如3)步所示分组，共得到90组。

对每组对应的赤经和赤纬，按照0.9的概率决定是否进行“交叉”操作：对每一组，生成0～1之间的随机数k，判断k小于等于0.9时进行交叉操作，否则不进行交叉操作。

当确定此组中的赤经(赤纬)进行“交叉”操作时，按照0.5的概率决定进行低5位或高5位互换：生成0～1之间的随机数j，判断j小于等于0.5时进行低5位互换，否则进行高5位互换。

如图5所示，a表示选择，对进行“交叉”操作后的90组(180个)种群中赤经、赤纬10位二进制中的每一位按照0.05的概率进行“变异”操作：对每一位，生成0～1之间的随机数m，判断m小于等于0.05时，执行变异操作，将原始“0”变为“1”，将原始“1”变为“0”；否则不执行变异操作。

当前种群完成“变异”操作后，进行“重构”操作，将二进制转换成十进制个体，在可行解内进行限幅，并在赤经、赤纬的可行区域，随机生成20组新种群，与当前180个种群一起，保证每代种群的个数均为200个。此后，依次进行“评价”、“交叉”、“变异”、“重构”，当进行至200代时，停止计算，并将200代中的目标函数值最大的种群输出。

综上所述，本发明涉及一种火星导航敏感器安装布局优化技术，尤其是用于火星环绕器自主导航方案设计时，利用遗传算法，在可行的安装区域内搜索最优的安装位置，进行优化布局设计，能够使得火星导航敏感器的在轨可用弧段最大。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法，其特征在于，包含以下过程：

A1、确定火星导航敏感器光轴可能的指向区域，并将光轴指向用火星环绕器本体坐标系下的赤经和赤纬来描述，建立以赤经和赤纬为两维自变量，优化目标为可用弧段最大的目标函数；

A2、在赤经和赤纬的可行域内随机生成第一数量的光轴指向；

A3、依次计算每种光轴指向对应的目标函数值，记录下最大的目标函数值以及其所对应的赤经与赤纬；对每种光轴指向对应的目标函数值由大到小进行排序；

A4、在当前种群，按照预先设定的代沟值进行选择操作，从当前种群排序后的光轴指向中，选取第二数量的目标函数值较大的个体；

A5、对选出的个体两两配对后进行交叉及变异操作，再引入在赤经和赤纬的可行域内随机生成的第三数量的新的个体，得到新的第一数量的光轴指向作为新的种群，使每次迭代的种群的个体数量一致；

A6、对新的种群依次进行A3-A5的操作，根据设定的次数进行迭代，将所有迭代过程中目标函数值最大的种群输出。

2.如权利要求1所述基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法，其特征在于，

赤经为火星导航敏感器的光轴在Xhb/Ohb/Yhb平面的投影与+Xhb轴的夹角，从+Zhb方向看，自+Xhb逆时针为正，取值范围0～360°；

赤纬为火星导航敏感器的光轴与Zhb轴的夹角，取值范围为-90°～+90°，当光轴与+Zhb轴的夹角为锐角时，取正；当光轴与-Zhb轴的夹角为锐角时，取负。

3.如权利要求1或2所述基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法，其特征在于，

步骤A1中，赤经的可行域取10°～270°；赤纬的可行域为正时取-60°～-30°，为负时取30°～60°，优化的目标函数为环火轨道可用弧段最大。

4.如权利要求1所述基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法，其特征在于，

步骤A2及A5中个体的第一数量为200；

步骤A4中的代沟值为0.9，选出的个体的第二数量为180；

步骤A5中引入的新个体的第三数量为第一数量与第二数量的差值；

迭代的次数是200。

5.如权利要求1所述基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法，其特征在于，

第二数量设为s；

步骤A5中对选出的第二数量的个体进行两两配对时，将第1种个体与第(1/2)s+1种个体分为一组，第2种个体与第(1/2)s+2种个体分为一组，依次类推，得到(1/2)s组；

在(1/2)s组中，每种个体的赤经和赤纬以有符号的10位二进制数表示，进行交叉操作时，将每一组中两种个体对应的赤经和赤纬的若干个指定位数分别互换，得到新的(1/2)s组；

在两两配对及交叉操作后，得到共s组赤经和赤纬的组合。

6.如权利要求5所述基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法，其特征在于，

步骤A5中，当前种群完成交叉及变异操作后进行重构操作，将每种个体的赤经和赤纬转换为十进制，再引入重新随机生成的新的个体，得到新的种群。

7.如权利要求1或5所述基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法，其特征在于，

步骤A5中，以第一概率确定配对后的任意一组是否进行交叉操作；

确定进行交叉操作的每一组中，以第二概率确定该组中进行高位的指定位数互换或进行低位的指定位数互换。

8.如权利要求7所述基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法，其特征在于，

步骤A5中进行交叉操作后的每一组中，以第三概率确定该组赤经和赤纬的组合的每一位是否进行变异操作；

确定进行变异操作的位，此位原始为0时变为1，原始为1时变为0。

9.如权利要求8所述基于遗传算法的火星导航敏感器安装布局优化方法，其特征在于，

交叉操作对应的第一概率为0.9；

位数互换对应的第二概率为0.5；

基于第二概率进行高5位互换或低5位互换；

每位变异对应的第三概率为0.05。