CN108931250A - 一种基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法和系统，该方法包括，根据轨道机动前后目标视线角变化与视线距离精度间的对应关系，建立可观测度优化模型；根据约束条件和给定可观测度优化目标时刻，以脉冲机动大小和方向作为优化变量，对可观测度优化模型的目标函数进行优，得到最优脉冲机动矢量，并解算得到当前相对导航结果；判定所述当前相对导航结果是否满足可观测性优化判定条件；若判定当前相对导航结果满足可观测性优化判定条件，则返回重新进行轨道机动规划。本发明实现了仅测角相对导航系统可观测度的自主增强，满足了空间态势感知与自主交会等任务的应用需要。

Description

一种基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法

技术领域

本发明属于航天技术领域，尤其涉及一种基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法和系统。

背景技术

天基仅测角相对导航是根据目标视线角观测量确定空间合作/非合作目标相对运动轨道的重要技术手段，在空间攻防、态势感知和在轨服务等领域具有广泛的应用。

由于天基仅测角相对导航缺少目标视线距离观测信息，导致导航系统可观测度相对较差。为解决这一问题，可以通过轨道机动改变相对导航观测几何，进而提取出目标视线距离信息，以增强天基仅测角相对导航系统的可观测度。在已有的方法中，分析了利用脉冲机动的方式提升特定类型相对运动轨道仅测角相对导航可观测度的可行性，不过对于一般类型的相对运动轨道，以及包含约束的脉冲机动可观测度优化问题处理能力还十分有限。

考虑到实际航天任务中相对运动轨道往往具有各种构型，而且对于速度脉冲机动也存在一定的设计约束，因此，建立适用于一般相对运动轨道类型、基于速度脉冲机动的天基仅测角相对导航可观测度优化方法不仅具有重要的应用价值，而且具备广阔的应用前景。为便于未来能够直接在实际航天任务中应用，在脉冲机动规划算法设计时必须具备对各种设计约束的处理和兼容能力。此外，为增强卫星轨道机动规划的自主性，要求卫星可根据当前时刻导航状态实现可观测度优化机动条件自主判定。上述问题的解决将为天基仅测角相对导航系统导航能力的提升和自主运行能力的增强发挥重要作用。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法和系统，实现仅测角相对导航系统可观测度的自主增强，满足空间态势感知与自主交会等任务的应用需要。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法，包括：

步骤1，根据轨道机动前后目标视线角变化与视线距离精度间的对应关系，建立可观测度优化模型；

步骤2，根据约束条件和给定可观测度优化目标时刻，以脉冲机动大小和方向作为优化变量，利用协作进化算法对可观测度优化模型的目标函数进行优，得到最优脉冲机动矢量，并解算得到当前相对导航结果；

步骤3，根据当前相对导航结果与原始相对导航结果之间的比较结果，判定所述当前相对导航结果是否满足可观测性优化判定条件；

步骤4，若判定当前相对导航结果满足可观测性优化判定条件，则返回步骤1重新进行轨道机动规划。

在上述基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法中，还包括：

建立观测卫星在目标质心轨道坐标系下的相对运动模型与仅测角相对导航观测模型，利用扩展卡尔曼滤波算法进行相对导航解算，得到原始相对导航结果；

根据原始相对导航结果与相对状态估计误差限，判定所述原始相对导航结果是否满足可观测性优化判定条件；

若所述原始相对导航结果满足可观测性优化判定条件，则执行上述步骤1。

在上述基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法中，通过如下步骤得到最优脉冲机动矢量：

将轨道约束、燃料约束和卫星姿态约束作为罚函数加入可观测度优化模型的目标函数；

给定可观测度优化目标时刻，利用协作进化算法对脉冲机动矢量进行寻优计算，最优脉冲机动矢量。

在上述基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法中，通过如下步骤解算得到当前相对导航结果：

根据最优脉冲机动矢量进行轨道机动；

在轨道机动之后进行相对导航解算，得到当前相对导航结果。

在上述基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法中，所述根据原始相对导航结果与预设相对位置速度误差限，判定所述原始相对导航结果是否满足可观测性优化判定条件，包括：

根据原始相对导航结果解算得到相对位置速度估计误差；

若根据原始相对导航结果解算得到的相对位置速度估计误差大于或等于所述预设相对位置速度误差限，则确定所述原始相对导航结果满足可观测性优化判定条件。

相应的，本发明还公开了一种基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划系统，包括：

模型建立模块，用于根据轨道机动前后目标视线角变化与视线距离精度间的对应关系，建立可观测度优化模型；

解算模块，用于根据约束条件和给定可观测度优化目标时刻，以脉冲机动大小和方向作为优化变量，利用协作进化算法对可观测度优化模型的目标函数进行优，得到最优脉冲机动矢量，并解算得到当前相对导航结果；

判定模块，用于根据当前相对导航结果与原始相对导航结果之间的比较结果，判定所述当前相对导航结果是否满足可观测性优化判定条件；

执行模块，用于在判定当前相对导航结果满足可观测性优化判定条件时，返回执行模型建立模块，重新进行轨道机动规划。

本发明具有以下优点：

(1)本发明基于相对导航可观测度优化模型完成最优脉冲轨道机动设计，有效增强了天基仅测角相对导航系统的可观测度及导航能力。

(2)本发明根据当前时刻相对导航结果，结合可观测性优化判定条件，能够实现星上多脉冲自主轨道机动规划与优化设计。

(3)本发明采用协作进化算法对脉冲机动矢量进行优化，并且以罚函数的形式将各种附加约束加入优化模型，具有普适性强、收敛速度快的特点。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中一种目标卫星速度本地水平坐标系示意图；

图3是本发明实施例中一种目标视线角示意图；

图4是本发明实施例中一种协作进化算法流程图。

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公开的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，示出了本发明实施例中一种基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法的步骤流程图。在本实施例中，所述基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法，包括：

步骤101，根据轨道机动前后目标视线角变化与视线距离精度间的对应关系，建立可观测度优化模型。

步骤102，根据约束条件和给定可观测度优化目标时刻，以脉冲机动大小和方向作为优化变量，利用协作进化算法对可观测度优化模型的目标函数进行优，得到最优脉冲机动矢量，并解算得到当前相对导航结果。

步骤103，根据当前相对导航结果与原始相对导航结果之间的比较结果，判定所述当前相对导航结果是否满足可观测性优化判定条件。

在本实施例中，若判定当前相对导航结果满足可观测性优化判定条件，则返回步骤101重新进行轨道机动规划。优选的，可以根据原始相对导航结果解算得到相对位置速度估计误差；若根据原始相对导航结果解算得到的相对位置速度估计误差大于或等于所述预设相对位置速度误差限，则确定所述原始相对导航结果满足可观测性优化判定条件。

在本发明的一优选实施例中，基于连续推力的轨道机动自主规划方法，还可以包括：建立观测卫星在目标质心轨道坐标系下的相对运动模型与仅测角相对导航观测模型，利用扩展卡尔曼滤波算法进行相对导航解算，得到原始相对导航结果；根据原始相对导航结果与相对状态估计误差限，判定所述原始相对导航结果是否满足可观测性优化判定条件；若所述原始相对导航结果满足可观测性优化判定条件，则执行上述步骤101。

在本发明的一优选实施例中，可以通过如下步骤得到最优脉冲机动矢量：将轨道约束、燃料约束和卫星姿态约束作为罚函数加入可观测度优化模型的目标函数；给定可观测度优化目标时刻，利用协作进化算法对脉冲机动矢量进行寻优计算，最优脉冲机动矢量。

在本发明的一优选实施例中，可以通过如下步骤解算得到当前相对导航结果：根据最优脉冲机动矢量进行轨道机动；在轨道机动之后进行相对导航解算，得到当前相对导航结果。

基于上述实施例，下面结合一个具体实例对所述基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法进行详细说明。

(1)建立观测卫星在目标速度本地水平(VVLH)坐标系下的相对运动轨道动力学模型。

在本实施例中，VVLH坐标系的定义如图2所示，对于近圆参考轨道，采用C-W方程表述观测卫星的相对轨道运动，其运动方程可以写为：

式中，ω为目标轨道角速度，λ为脉冲机动判别因子，δ(t)为狄拉克函数，u＝[u_x,u_y,u_z]^T为脉冲加速度，(x,y,z)表示观测卫星的坐标。

记则可将上述相对运动方程改写为如下状态空间模型的形式

其中，

观测卫星在VVLH坐标系下的视线角定义如图3所示，其中α为方位角，β为高度角。

利用观测卫星相对状态矢量，视线角观测量Y＝[α,β]^T可以写为：

(2)根据相对导航轨道动力学模型与视线角观测模型，利用扩展卡尔曼滤波(EKF)算法进行相对导航解算。

关于EKF算法的具体计算流程可参见《最优状态估计—卡尔曼，H_∞及非线性滤波》(张勇刚，李宁，奔粤阳译)一书的13.2节，这里不再赘述。

记当前时刻观测卫星相对状态矢量的最优估计结果为状态协方差矩阵的最优估计结果为

(3)根据当前相对状态估计方差结合事先设定的相对状态误差容许上限ε＝[ε_r,ε_v]^T，判断是否满足可观测性增强脉冲机动条件：

当相对位置估计误差与速度估计误差均小于给定误差限时，表明当前滤波结果满足状态估计精度要求，因此不需要加入脉冲轨道机动，可直接返回步骤(2)，否则转到步骤(4)进行脉冲机动规划，以增强相对导航系统的可观测度。

(4)加入轨道机动的目的是提升目标视线距离的可观测度，根据当前时刻相对运动状态，可以分别算得不加入脉冲机动和加入脉冲机动两种情况下Δt时间后的相对位置矢量和r(Δt)：

式中，

根据机动前后相对位置矢量可以算得相对距离信息

式中，角度θ、γ的定义如下

由于目标视线角测量误差的存在，导致上述解算得到的目标距离信息同样存在误差。对(11)式求变分并可得目标距离误差σ_||r||随视线角测量误差σ_LOS的变化关系

σ_||r||≈σ_LOS||r||cotθ (13)

由上述表达式可知，当视线角测量误差σ_LOS一定时，目标距离误差σ_||r||由相对距离大小||r||和机动前后目标视线变化角θ决定。因此，可观测度优化的目标是选择最优推力u使得Δt时刻目标距离误差达到极小，即

min F(u,Δt)＝||r||·cotθ (14)

由(8)式、(12)式可进一步将(14)式改写为如下形式

(5)进一步考虑实际任务轨道机动时可能存在的机动轨道、脉冲方向、燃料消耗等附加约束，统一将这些约束记为

C(u)≤0 (16)

则考虑上述约束后的优化目标可以改写为

式中，κ为约束惩罚项的权重系数。由此得到新的无约束优化问题的优化目标函数。

(6)给定可观测度优化目标时刻Δt，利用协作进化算法对脉冲机动矢量u进行寻优计算。这里采用的协作进化算法综合了粒子群算法与微分进化算法的主要优点，通过共享二者种群全局最优解的方式进行协作寻优，具有收敛速度快、避免陷入局优的特点。关于该算法的具体计算流程如图4所示，关于粒子群算法与微分进化算法的原理及主要步骤可参见《群智能优化方法及应用》(汤可宗，杨静宇著)一书的4.2节和8.2节，这里不再赘述。

(7)按照可观测度优化得到的最优脉冲进行轨道机动，之后按照与步骤(2)中相同的过程进行相对导航解算，注意此时相对导航动力学方程(1)式中的脉冲机动判别因子λ＝1。

(8)当t>Δt时，令相对导航动力学方程(1)式中的脉冲机动判别因子λ＝0继续进行相对导航解算，并根据步骤(3)中的判定条件，判断是否需要新的脉冲机动以增强相对导航系统的可观测度。

综上，在本发明实施例中，根据当前相对导航结果与给定相对状态估计误差限，可实现可观测性增强脉冲机动实施条件自主判定；将脉冲机动设计约束作为惩罚项加入优化目标函数，能够适用于处理各类约束，并且实现算法结构的简化；创新性地采用了协作进化算法实现对脉冲机动矢量进行优化计算，具有计算效率高、收敛速度快的特点。

在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划系统，包括：模型建立模块，用于根据轨道机动前后目标视线角变化与视线距离精度间的对应关系，建立可观测度优化模型；解算模块，用于根据约束条件和给定可观测度优化目标时刻，以脉冲机动大小和方向作为优化变量，利用协作进化算法对可观测度优化模型的目标函数进行优，得到最优脉冲机动矢量，并解算得到当前相对导航结果；判定模块，用于根据当前相对导航结果与原始相对导航结果之间的比较结果，判定所述当前相对导航结果是否满足可观测性优化判定条件；执行模块，用于在判定当前相对导航结果满足可观测性优化判定条件时，返回执行模型建立模块，重新进行轨道机动规划。

对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划方法，其特征在于，包括：

步骤1，根据轨道机动前后目标视线角变化与视线距离精度间的对应关系，建立可观测度优化模型；

步骤2，根据约束条件和给定可观测度优化目标时刻，以脉冲机动大小和方向作为优化变量，利用协作进化算法对可观测度优化模型的目标函数进行优，得到最优脉冲机动矢量，并解算得到当前相对导航结果；

步骤3，根据当前相对导航结果与原始相对导航结果之间的比较结果，判定所述当前相对导航结果是否满足可观测性优化判定条件；

步骤4，若判定当前相对导航结果满足可观测性优化判定条件，则返回步骤1重新进行轨道机动规划。

2.根据权利要求1所述的基于连续推力的轨道机动自主规划方法，其特征在于，还包括：

建立观测卫星在目标质心轨道坐标系下的相对运动模型与仅测角相对导航观测模型，利用扩展卡尔曼滤波算法进行相对导航解算，得到原始相对导航结果；

根据原始相对导航结果与相对状态估计误差限，判定所述原始相对导航结果是否满足可观测性优化判定条件；

若所述原始相对导航结果满足可观测性优化判定条件，则执行上述步骤1。

3.根据权利要求1所述的基于连续推力的轨道机动自主规划方法，其特征在于，通过如下步骤得到最优脉冲机动矢量：

将轨道约束、燃料约束和卫星姿态约束作为罚函数加入可观测度优化模型的目标函数；

给定可观测度优化目标时刻，利用协作进化算法对脉冲机动矢量进行寻优计算，最优脉冲机动矢量。

4.根据权利要求3所述的基于连续推力的轨道机动自主规划方法，其特征在于，通过如下步骤解算得到当前相对导航结果：

根据最优脉冲机动矢量进行轨道机动；

在轨道机动之后进行相对导航解算，得到当前相对导航结果。

5.根据权利要求2所述的基于连续推力的轨道机动自主规划方法，其特征在于，所述根据原始相对导航结果与预设相对位置速度误差限，判定所述原始相对导航结果是否满足可观测性优化判定条件，包括：

根据原始相对导航结果解算得到相对位置速度估计误差；

若根据原始相对导航结果解算得到的相对位置速度估计误差大于或等于所述预设相对位置速度误差限，则确定所述原始相对导航结果满足可观测性优化判定条件。

6.一种基于相对导航可观测度优化的脉冲机动自主规划系统，其特征在于，包括：

模型建立模块，用于根据轨道机动前后目标视线角变化与视线距离精度间的对应关系，建立可观测度优化模型；

解算模块，用于根据约束条件和给定可观测度优化目标时刻，以脉冲机动大小和方向作为优化变量，利用协作进化算法对可观测度优化模型的目标函数进行优，得到最优脉冲机动矢量，并解算得到当前相对导航结果；

判定模块，用于根据当前相对导航结果与原始相对导航结果之间的比较结果，判定所述当前相对导航结果是否满足可观测性优化判定条件；

执行模块，用于在判定当前相对导航结果满足可观测性优化判定条件时，返回执行模型建立模块，重新进行轨道机动规划。