CN112000121A - 一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法。步骤1：确定任务飞行器Bn和服务飞行器Sn轨道；步骤2：基于步骤1的轨道，在可行转移时间区间内选取多个转移时间；步骤3：当变轨点为Y1时，确定燃料最省转移轨道；步骤4：确定最优预设变轨点；步骤5：根据最优预设变轨点，确定最佳变轨区间；步骤6：在最优预设变轨区间内，对转移时间进行细分；步骤7：在最佳变轨区间内，求解转移轨道；步骤8：确定燃料最优的服务飞行器S2,S3,…,SM的转移轨道；步骤9：改变预设变轨点数量N。本发明用以解决解决空间在轨服务任务中多个服务飞行器同时服务于多个共面轨道任务飞行器且使总燃料消耗最省的问题。
Description
技术领域
本发明属于航天领域；具体涉及一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法。
背景技术
满足空间在轨服务系统任务要求的燃料最省的服务飞行器转移轨道设计技术始终是空间轨道优化设计领域的一个研究重点。空间在轨服务系统转移轨道设计的最终目的是使服务飞行器在预定轨道进行变轨，在一定的燃料约束和时间约束下，能够对任务飞行器进行服务，有时还会要求多个服务飞行器同时服务于多个任务飞行器，以提高服务效率并完成其他协同任务。
目前多种转移轨道设计方法在进行在轨服务飞行器转移轨道设计的过程中得到广泛应用。其中霍曼变轨，即共面圆轨道之间的最佳转移轨道，具有机动操作简单，转移飞行器可保持相对定向的优势，但其要求严格满足初始相位关系，且导航和制导误差对交会精度影响较大，交会过程视线变化很大，无法实现任务飞行器和服务飞行器处于异面轨道的服务任务。此外，一种近地近圆轨道、交会时间固定的地面引导四冲量最优交会方式也是较为常见的方法，但该方法只适用于近地近圆轨道，无法完成目标轨道为高空轨道的轨道设计任务。目前为止，还没有在空间任意轨道高度上，在轨服务任务中多个服务飞行器同时服务于多个任务飞行器的燃料最省的转移轨道设计问题的解决方案。
发明内容
本发明提出了一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法，用以解决空间在轨服务任务中多个服务飞行器同时服务于多个共面轨道任务飞行器且使总燃料消耗最省的问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法，所述设计方法具有以下步骤：
步骤1：确定任务飞行器Bn和服务飞行器Sn轨道；
步骤2：基于步骤1的轨道，在可行转移时间区间内选取多个转移时间；
步骤3：当服务飞行器S1的变轨点为Y1时，确定服务飞行器S1的变轨点与任务飞行器 B1交会的燃料最省转移轨道；
步骤4：确定服务飞行器S1的最优预设变轨点Ybest1；
步骤5：根据服务飞行器S1的最优预设变轨点Ybest1，确定服务飞行器S1的最佳变轨区间；
步骤6：在服务飞行器S1最优预设变轨区间内，对服务飞行器S1可能的转移时间进行细分；
步骤7：在最佳变轨区间内，求解燃料最优的服务飞行器S1的转移轨道；
步骤8：确定燃料最优的服务飞行器S2,S3,…,SM的转移轨道；
步骤9：改变预设变轨点数量N，得到对于不同任务飞行器数量M的计算效率高的N的取值。
进一步的，所述步骤1具体为，根据在轨服务系统的总体任务要求，确定已知任务飞行器所在空间轨道，并选择M个任务飞行器在轨道上分布较为均匀的位置 Bn(n＝1,2,…,M)，作为服务飞行器与任务飞行器的交会点，根据任务飞行器所在的目标轨道的轨道根数，选择与之共面或轨道形状与目标轨道相差不大的轨道作为服务飞行器初始轨道，在该轨道上选择N个点Y1,Y2,…YN，作为服务飞行器Sn(n＝1,2,…,M)的预设变轨点位置。
进一步的，所述步骤2具体为，设服务飞行器能达到的最大速度增量为ΔvT；已知初始时刻(t1)服务飞行器在轨道上位置为
速度为
交会时刻(t2)任务飞行器在轨道上的位置为
速度为
则通过Lambert问题的Battin-Vaughan解法，得到在转移轨道飞行时间为Δt时的服务飞行器变轨点速度增量
进而，在可能的任务飞行器和服务飞行器交会时间区间[T0,T1]内，通过大步长采点方式，粗估计确定服务飞行器满足变轨点速度增量Δvi＜ΔvT(n＝1,2,…,M)的转移时间区间[Δtmin,Δtmax]；该时间区间内每隔t0秒取一次转移时间值，记
进一步的，所述步骤3具体为，对于第一个任务飞行器B1，此时服务飞行器S1的变轨点为Y1，通过遍历Δt(k)，利用Lambert问题的Battin-Vaughan解法，得到在Y1点的使变轨增量Δv1,1最小的转移时间t1,1，即在该预设变轨点Y1和交会点处使服务飞行器S1燃料最省的转移轨道对应的转移时间。
进一步的，所述步骤4具体为，对于第一个任务飞行器B1，依次计算服务飞行器在预设变轨点Y2,Y3,…YN时，并求解Lambert问题得到对于任务飞行器B1的使速度增量Δv1,p(p＝1,2,...,N)最小的转移时间t1,p，则对于任务飞行器B1，在Δv1,p(p＝1,2,...,N)中选择速度增量最小的服务器为对应的转移时间t1,best1，则此时服务飞行器S1的最优预设变轨点为Ybest1，对应的轨道速度增量为Δv1,best1。
进一步的，所述步骤5具体为，对于第一个任务飞行器B1，由步骤4中得到的最优预设变轨点为Ybest1，得到最优变轨点区间为
其中T为服务飞行器所在轨道的一个运行周期，进而每隔h步长选取服务飞行器变轨点位置，
进一步的，所述步骤6具体为，对于第一个任务飞行器B1，由步骤4中得到的最优预设变轨点Ybest1对应的转移时间t1,best1，进一步细分转移时间区间tran1，有 t1,best1-Tp≤tran1≤t1,best1+Tp，在该区间内每隔K秒选取转移时间值
Tp为选定的常数，与服务飞行器的轨道周期有关。
进一步的，所述步骤7具体为，对于任务飞行器B1，分别对于步骤5中的服务飞行器变轨点P1(j)和步骤6中的转移时间值tran1(i)求解Lambert问题，可得在使服务飞行器 S1变轨点速度增量最小的
对应的服务器转移轨道转移时间为
速度增量为
进一步的，所述步骤8具体为，重复步骤3至步骤7，对第2个任务飞行器B2至第M 个任务飞行器BM用相同的方法进行寻优计算，得到各服务飞行器的最佳变轨点位置 A2,A3,…,AM，及其对应的转移时间
速度增量
进一步的，所述步骤9具体为，重复步骤1至8，选择不同数量的服务飞行器预设变轨点，进行服务飞行器燃料最省转移轨道的求解，记录下对于不同N的取值求解该问题的运行时间，并进行比较。进而，根据不同N值与求解服务飞行器燃料最省转移轨道问题的运行时间的关系，可以得到对于不同任务飞行器数量M的使计算效率较高的N的取值。
本发明的有益效果是：
1本发明所设计的服务飞行器转移轨道满足了服务飞行器运行轨道要求、转移时间、飞行器燃料有限等多种因素的限制，给出了分段区间寻优法在空间在轨服务系统中多个服务飞行器同时服务于多个任务飞行器，使燃料消耗最省的转移轨道设计。
2本发明通过记录变轨点分段区间数量N的取值对应的转移轨道优化设计需要的运行时间(如表1所示)，得到了不同N值与燃料消耗最省转移轨道的运行时间的关系图(如图2所示)，通过分析图2曲线可以看出不同N值与燃料最省转移轨道问题求解的运行时间之间并非单调的函数关系，而是多峰值曲线。
附图说明
附图1本发明的总体框图。
附图2本发明的分段区间数量N与燃料最省转移轨道问题求解时间关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法，所述设计方法具有以下步骤：
步骤1：确定任务飞行器Bn和服务飞行器Sn轨道；
步骤2：基于步骤1的轨道，在可行转移时间区间内选取多个转移时间；
步骤3：当服务飞行器S1的变轨点为Y1时，确定服务飞行器S1的变轨点与任务飞行器 B1交会的燃料最省转移轨道；
步骤4：确定服务飞行器S1的最优预设变轨点Ybest1；
步骤5：根据服务飞行器S1的最优预设变轨点Ybest1，确定服务飞行器S1的最佳变轨区间；
步骤6：在服务飞行器S1最优预设变轨区间内，对服务飞行器S1可能的转移时间进行细分；
步骤7：在最佳变轨区间内，求解燃料最优的服务飞行器S1的转移轨道；
步骤8：确定燃料最优的服务飞行器S2,S3,…,SM的转移轨道；
步骤9：改变预设变轨点数量N，得到对于不同任务飞行器数量M的计算效率高的N的取值。
进一步的，所述步骤1具体为，根据在轨服务系统的总体任务要求，确定已知任务飞行器所在空间轨道，并选择M个任务飞行器在轨道上分布较为均匀的位置 Bn(n＝1,2,…,M)，作为服务飞行器与任务飞行器的交会点，根据任务飞行器所在的目标轨道的轨道根数，选择与之共面或轨道形状与目标轨道相差不大的轨道作为服务飞行器初始轨道，在该轨道上选择N个点Y1,Y2,…YN，作为服务飞行器Sn(n＝1,2,…,M)的预设变轨点位置。
进一步的，所述步骤2具体为，设服务飞行器能达到的最大速度增量为ΔvT；已知初始时刻(t1)服务飞行器在轨道上位置为
速度为
交会时刻(t2)任务飞行器在轨道上的位置为
速度为
则通过Lambert问题的Battin-Vaughan解法，得到在转移轨道飞行时间为Δt时的服务飞行器变轨点速度增量
进而，在可能的任务飞行器和服务飞行器交会时间区间[T0,T1]内，通过大步长采点方式，粗估计确定服务飞行器满足变轨点速度增量Δvn＜ΔvT(n＝1,2,…,M)的转移时间区间[Δtmin,Δtmax]；该时间区间内每隔t0秒取一次转移时间值，记
进一步的，所述步骤3具体为，对于第一个任务飞行器B1，此时服务飞行器S1的变轨点为Y1，通过遍历Δt(k)，利用Lambert问题的Battin-Vaughan解法，得到在Y1点的使变轨增量Δv1,1最小的转移时间t1,1，即在该预设变轨点Y1和交会点处使服务飞行器S1燃料最省的转移轨道对应的转移时间。
进一步的，所述步骤4具体为，对于第一个任务飞行器B1，依次计算服务飞行器在预设变轨点Y2,Y3,…YN时，并求解Lambert问题得到对于任务飞行器B1的使速度增量Δv1,p(p＝1,2,...,N)最小的转移时间t1,p，则对于任务飞行器B1，在Δv1,p(p＝1,2,...,N)中选择速度增量最小的服务器为对应的转移时间t1,best1，则此时服务飞行器S1的最优预设变轨点为Ybest1，对应的轨道速度增量为Δv1,best1。
进一步的，所述步骤5具体为，对于第一个任务飞行器B1，由步骤4中得到的最优预设变轨点为Ybest1，得到最优变轨点区间为
其中T为服务飞行器所在轨道的一个运行周期，进而每隔h步长选取服务飞行器变轨点位置，
进一步的，所述步骤6具体为，对于第一个任务飞行器B1，由步骤4中得到的最优预设变轨点Ybest1对应的转移时间t1,best1，进一步细分转移时间区间tran1，有 t1,best1-Tp≤tran1≤t1,best1+Tp，在该区间内每隔K秒选取转移时间值是，
Tp为选定的常数，与服务飞行器的轨道周期有关。
进一步的，所述步骤7具体为，对于任务飞行器B1，分别对于步骤5中的服务飞行器变轨点P1(j)和步骤6中的转移时间值tran1(i)求解Lambert问题，可得在使服务飞行器 S1变轨点速度增量最小的
对应的服务器转移轨道转移时间为
速度增量为
进一步的，所述步骤8具体为，重复步骤3至步骤7，对第2个任务飞行器B2至第M 个任务飞行器BM用相同的方法进行寻优计算，得到各服务飞行器的最佳变轨点位置 A2,A3,…,AM，及其对应的转移时间
速度增量
进一步的，所述步骤9具体为，选择不同数量的服务飞行器预设变轨点，重复步骤1至8，进行服务飞行器燃料最省转移轨道的求解，记录下对于不同N的取值求解该问题的运行时间，并进行比较。进而，根据不同N值与求解服务飞行器燃料最省转移轨道问题的运行时间的关系，可以得到对于不同任务飞行器数量M的使计算效率较高的N的取值。
实施例2
下面以任务飞行器轨道高度为500km时，六枚服务飞行同时服务于六个任务飞行器为例，结合附图对本发明的技术方案做进一步描述。
步骤1：根据已知任务飞行器轨道六个轨道根数，半长轴a为7371000米、偏心率e为0.01、轨道倾角i为30度、近地点幅角ω为20度、升交点赤经Ω为30度、近地点时刻τ取1，选择六个(M＝6)在目标轨道上分布均匀的位置Bn(n＝1,2,3,4,5,6)。选择服务器轨道的轨道根数为半长轴a为6871000米、偏心率e为0.01、轨道倾角i为32度、近地点幅角ω为20度、升交点赤经Ω为27度、近地点时刻τ取1；在该轨道上选择N＝13个服务飞行器预设变轨点Y1,Y2,…Y13。
步骤2：设服务飞行器能达到的最大速度增量为ΔvT＝1600m/s，通过粗估计确定满足服务飞行器速度增量Δvn＜1600m/s(n＝1,2,…,6)的转移时间区间[600s,2400s]。每隔30 秒在时间区间内取一次转移时间值，即转移时间Δt(k)＝(600+30k)s(k＝0,1,…,61)。
步骤3：以任务飞行器B1为例，首先计算当服务飞行器S1变轨点为Y1时，依次选取转移时间Δt(k)＝(600+30k)s(k＝0,1,…,61)，利用Battin-Vaughan方法求解Lambert问题。得到在Y1的使变轨增量Δv1,1最小的转移时间t1,1。
步骤4：对于任务飞行器B1，依次选取服务飞行器S1变轨点为Y2,Y3,…Y13时，依次求解Lambert问题得到对于任务飞行器B1对应的使变轨增量Δv1,p(p＝1,2,...,13)最小的转移时间t1,p。则对于任务飞行器B1，选择使变轨点速度增量最小的转移轨道时间t1,best1，其对应的服务飞行器变轨点为Ybest1，变轨点速度增量为Δv1,best1。
步骤5：对于任务飞行器B1，可得轨道周期为8036s，因此得到变轨点区间 M1＝[618×(best1-1),618×(best1+1)]。若每隔10秒选取服务飞行器变轨点位置，则有 P1(j)＝618×(best1-1)+10j(j＝0,1,…,124)。
步骤6：对于第一个任务飞行器B1，由步骤4中得到的最优预设变轨点Ybest1对应的转移时间t1,best1＝2000s，进一步细分转移时间区间2000-750≤tran1≤2000+750(设定 Tp＝750s)，每隔K＝30秒选取转移时间值tran1(i)＝2000-750+30i(i＝0,1,2,…51)。
步骤7：对于任务飞行器B1，分别对于步骤5中的服务飞行器变轨点P1(j)和步骤6中的转移时间值tran1(i)求解Lambert问题，得到的使服务飞行器S1速度增量最小的转移时间为
此时对应的速度增量
步骤8：重复步骤3至步骤7，对任务飞行器B2至B6用同样的方法进行计算，可得到燃料最省转移轨道服务飞行器初始位置A2,A3,…,A6及其对应的速度增量为
步骤9：改变变轨点寻优区间数量N的值，重复步骤1至8，记录下对于不同N的取值得到服务飞行器燃料最省转移轨道的运行时间，并进行比较(见表1所示)。根据不同N 值与燃料最省转移轨道的运行时间的关系，可以得到进行对于六个服务飞行器服务于六个任务飞行器的转移轨道设计时，当N＝4,8,75时计算效率很低，程序需要的运行时间很长；当N＝20,50,55时计算效率最高，程序需要的运行时间最短(如图2所示)。
本发明根据空间在轨服务任务的要求，确定各任务飞行器可交会区域和允许时间区间内的预定轨道指令表达式，并将指令表达式中的待定参数和任务飞行器与服务飞行器的分配关系设定为待优化参数。在空间在轨服务系统的一系列约束条件下，考虑服务飞行器的转移时间及变轨能力等限制因素，采用分段区间寻优的方法对服务飞行器转移轨道进行优化设计，得到了多个服务飞行器燃料最省的转移轨道。设计过程解决了对于给定任意任务飞行器轨道选择合适的服务器轨道，及对多个服务飞行器变轨点位置进行选择的问题。实现在服务飞行器燃料约束限制下，多个服务飞行器同时对多个任务飞行器进行服务，且使转移轨道燃料最省的可行方案，并分析了对于不同数量的任务飞行器，分段寻优区间数量的选取对轨道优化设计过程解算时间的影响，从而得到对于不同数量的任务飞行器对应的可取寻优区间数量，提高计算效率，具有广阔的航天应用前景。
表1
Claims (10)
1.一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法，其特征在于：所述设计方法具有以下步骤：
步骤1：确定任务飞行器Bn和服务飞行器Sn轨道；
步骤2：基于步骤1的轨道，在可行转移时间区间内选取多个转移时间；
步骤3：当服务飞行器S1的变轨点为Y1时，确定服务飞行器S1的变轨点与任务飞行器B1交会的燃料最省转移轨道；
步骤4：确定服务飞行器S1的最优预设变轨点Ybest1；
步骤5：根据服务飞行器S1的最优预设变轨点Ybest1，确定服务飞行器S1的最佳变轨区间；
步骤6：在服务飞行器S1最优预设变轨区间内，对服务飞行器S1可能的转移时间进行细分；
步骤7：在最佳变轨区间内，求解燃料最优的服务飞行器S1的转移轨道；
步骤8：确定燃料最优的服务飞行器S2,S3,…,SM的转移轨道；
步骤9：改变预设变轨点数量N，得到对于不同任务飞行器数量M的计算效率高的N的取值。
2.根据权利要求1所述一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法，其特征在于：所述步骤1具体为，根据在轨服务系统的总体任务要求，确定已知任务飞行器所在空间轨道，并选择M个任务飞行器在轨道上分布较为均匀的位置Bn(n＝1,2,…,M)，作为服务飞行器与任务飞行器的交会点，根据任务飞行器所在的目标轨道的轨道根数，选择与之共面或轨道形状与目标轨道相差不大的轨道作为服务飞行器初始轨道，在该轨道上选择N个点Y1,Y2,…YN，作为服务飞行器Sn(n＝1,2,…,M)的预设变轨点位置。
3.根据权利要求1所述一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法，其特征在于：所述步骤2具体为，设服务飞行器能达到的最大速度增量为ΔvT；已知初始时刻(t1)服务飞行器在轨道上位置为
速度为
交会时刻(t2)任务飞行器在轨道上的位置为
速度为
则通过Lambert问题的Battin-Vaughan解法，得到在转移轨道飞行时间为Δt时的服务飞行器变轨点速度增量
进而，在可能的任务飞行器和服务飞行器交会时间区间[T0,T1]内，通过大步长采点方式，粗估计确定服务飞行器满足变轨点速度增量Δvn＜ΔvT(n＝1,2,…,M)的转移时间区间[Δtmin,Δtmax]；该时间区间内每隔t0秒取一次转移时间值，记
4.根据权利要求1所述一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法，其特征在于：所述步骤3具体为，对于第一个任务飞行器B1，此时服务飞行器S1的变轨点为Y1，通过遍历Δt(k)，利用Lambert问题的Battin-Vaughan解法，得到在Y1点的使变轨增量Δv1,1最小的转移时间t1,1，即在该预设变轨点Y1和交会点处使服务飞行器S1燃料最省的转移轨道对应的转移时间。
5.根据权利要求1所述一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法，其特征在于：所述步骤4具体为，对于第一个任务飞行器B1，依次计算服务飞行器在预设变轨点Y2,Y3,…YN时，并求解Lambert问题得到对于任务飞行器B1的使速度增量Δv1,p(p＝1,2,...,N)最小的转移时间t1,p，则对于任务飞行器B1，在Δv1,p(p＝1,2,...,N)中选择速度增量最小的服务器为对应的转移时间t1,best1，则此时服务飞行器S1的最优预设变轨点为Ybest1，对应的轨道速度增量为Δv1,best1。
6.根据权利要求1所述一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法，其特征在于：所述步骤5具体为，对于第一个任务飞行器B1，由步骤4中得到的最优预设变轨点为Ybest1，得到最优变轨点区间为
其中T为服务飞行器所在轨道的一个运行周期，进而每隔h步长选取服务飞行器变轨点位置，
7.根据权利要求1所述一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法，其特征在于：所述步骤6具体为，对于第一个任务飞行器B1，由步骤4中得到的最优预设变轨点Ybest1对应的转移时间t1,best1，进一步细分转移时间区间tran1，有t1,best1-Tp≤tran1≤t1,best1+Tp，在该区间内每隔K秒选取转移时间值
Tp为选定的常数，与服务飞行器的轨道周期有关。
8.根据权利要求1所述一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法，其特征在于：所述步骤7具体为，对于任务飞行器B1，分别对于步骤5中的服务飞行器变轨点P1(j)和步骤6中的转移时间值tran1(i)求解Lambert问题，可得在使服务飞行器S1变轨点速度增量最小的
对应的服务器转移轨道转移时间为
速度增量为
9.根据权利要求1所述一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法，其特征在于：所述步骤8具体为，重复步骤3至步骤7，对第2个任务飞行器B2至第M个任务飞行器BM用相同的方法进行寻优计算，得到各服务飞行器的最佳变轨点位置A2,A3,…,AM，及其对应的转移时间
速度增量
10.根据权利要求1所述一种多服务飞行器空间在轨服务燃料最优轨道的设计方法，其特征在于：所述步骤9具体为，重复步骤1至8，选择不同数量的服务飞行器预设变轨点，进行服务飞行器燃料最省转移轨道的求解，记录下对于不同N的取值求解该问题的运行时间，并进行比较。进而，根据不同N值与求解服务飞行器燃料最省转移轨道问题的运行时间的关系，可以得到对于不同任务飞行器数量M的使计算效率较高的N的取值。
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