[发明专利]基于PIO的圆轨道航天器编队重构型防碰撞路径规划方法

说明书

本发明公开了基于PIO的圆轨道航天器编队重构型防碰撞路径规划方法，属于航天器姿态控制的技术领域。该算法首先利用航天近距离相对运动线性化的C‑W方程进行动力学建模；然后，根据航天器编队离散动力学方程计算航天器编队总的燃料消耗，利用无穷级数的方法计算航天器之间的碰撞概率，并通过外罚函数法构造了相应的适应度函数；之后引入自适应的地磁因子系数，平衡原有鸽群算法全局搜索与局部搜索的能力，最终得到考虑燃料消耗并且避免碰撞的航天器编队重构型的飞行优化路径。本发明算法简单，在给定初末航天器编队构型的情况下考虑编队燃料消耗与航天器间碰撞规避因素，实现了航天器编队飞行路径的优化。

技术领域

本发明公开了基于PIO(Pigeon-Inspired Optimization，鸽群启发优化)的圆轨道航天器编队重构型防碰撞路径规划方法，属于航天器姿态控制的技术领域。

背景技术

卫星自动集群编队飞行在NASA与U.S.Air Force的任务中已被证实为可行技术。通过运用更小的、更敏捷的航天器组成的编队可以增加观测基线的长度，提高系统的冗余度与重构性，从而有利于在更苛刻的条件下实现更高要求的航天任务以及故障检测。如今，对航天器干涉对地成像、航天器导航制导、合成孔径雷达和军事侦查等应用的关注使得航天器编队技术的研究越发显得重要。

编队飞行任务往往需要根据特定的要求进行编队构型的变化，其中，多个航天器的飞行路径规划问题是主要的难点，一方面卫星携带的燃料有限致使飞行路径规划必须考虑重构型时的燃料消耗，另一方面需要规避不同航天器之间可能发生的碰撞。现有的航天器编队飞行路径规划分为连续与离散两类：前者多采用人工势法设计控制律，从而间接地实现编队飞行的路径规划，但没有考虑燃料消耗限制的问题；后者多采用各种规划寻优算法直接规划编队的飞行路径，算法较复杂，规划路径耗时较长。同时，目前对于编队飞行防碰撞方面多采用以相对距离为基础的判断方法，此方法没有考虑航天器相对距离与速度误差对碰撞产生的影响，具有一定的局限性。随着各类群智能仿生算法越来越多地应用于路径规划领域，初始参数难以较好地确定导致算法容易陷入局部最优，从而影响最终路径规划的效果。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了基于PIO的圆轨道航天器编队重构型防碰撞路径规划方法，在给定圆轨道初末航天器编队构型的情况下考虑编队燃料消耗与航天器间碰撞规避因素，实现了航天器编队飞行路径的优化，解决了现有航天器编队重构为避免碰撞规划路径时计算复杂的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于自适应鸽群算法的圆轨道航天器编队重构型防碰撞路径规划方法，包括以下步骤：

1)对三维路径进行坐标转换，将三维路径坐标的搜索简化为二维坐标的搜索求解问题

为了降低问题的维度复杂度，以每一个航天器飞行路径的起始点和终止点的连线作为新坐标系的x轴建立各航天器的新坐标系，其由原C-W坐标系通过旋转平移变换得到。飞行路径在新坐标系的x坐标为(0,d,2d,…(n-1)d),其中，单位定长d的值与离散点的个数有关。将每个航天器的三维路径点坐标转换到各自的新坐标系中，从而最终将每个航天器飞行路径的规划问题转化为只用迭代求解新坐标系下y轴与z轴的两维坐标。

从C-W坐标系转换到新坐标系的坐标转化矩阵可以表示为公式(1)：

转换矩阵为4*4的矩阵，由左上角3*3的旋转矩阵和右边3*1的平移矩阵组成，其中，x′₀,y′₀,z′₀表示初始点坐标经过旋转矩阵变换后的坐标。假设初始点坐标为I(x₀,y₀,z₀),终末点坐标为L(x_n,y_n,z_n),则坐标转换矩阵中的参数如公式(2)所示：