[发明专利]一种求解固定时间有限燃料多脉冲转移轨道的方法及系统

说明书

本发明公开了一种求解固定时间有限燃料多脉冲转移轨道的方法，该方法包括：根据飞行器初始状态、目标轨道参数和可用燃料数，计算以霍曼转移到达目标轨道的两次机动速度增量；通过网格搜索寻找施加霍曼转移的时刻；以初始时刻的切向脉冲、施加霍曼转移的时刻以及霍曼转移两次机动的速度增量为优化变量，通过局部搜索算法最小化入轨点误差加权和；以霍曼转移的第二次机动速度增量为优化变量，通过局部搜索算法最小化入轨点处的纬度幅角差；求解J2摄动下的Lambert问题实现精确入轨。本发明对燃料充足，目标轨道高度差、相位差较小的转移问题可以收敛；对轨道高度差较大且升交点赤经在自然漂移可达范围边界的机动问题也能稳定地获得可行解。

技术领域

本发明涉及飞行器空间轨道机动技术领域，尤其涉及一种求解固定时间有限燃料多脉冲转移轨道的方法及系统。

背景技术

在空间运行的飞行器利用剩余燃料机动至目标位置完成任务是空间任务规划中常见的任务需求，例如嫦娥二号飞行器在完成L2点探测任务后利用剩余燃料完成了飞跃Toutatis小行星的拓展实验。另外，在星座部署时，常常在较低轨道部署备份星座，以随时进行轨道机动，替换报废的工作卫星；在星座重构领域，也需要通过卫星在轨机动到达计划位置组成新的星座构型完成预定任务。

飞行器空间机动问题中的目标轨道与初始轨道高度相差大、目标入轨时刻严格的轨道转移任务约束条件复杂、可行域较小。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种求解固定时间有限燃料多脉冲转移轨道的方法。针对此类问题，本发明提出了一种利用地球引力场J₂项摄动势调整飞行器相位，以入轨点误差的加权和为目标函数的迭代优化计算方法。直接以燃料消耗最少为优化目标的方法由于优化求解算法的随机性与参数设置的不同，需要通过多次计算取最小解并判断是否符合剩余燃料要求，而本方法通过初始时刻施加一个小扰动，以及调整入轨时刻各项轨道根数中误差较大项的权重，有效提升了收敛性。本发明针对飞行器空间机动问题中的目标轨道与初始轨道高度相差大、目标入轨时刻严格的轨道转移任务，首次提出了一种以入轨点误差的加权和为目标函数的迭代优化算法，利用地球引力场J₂项摄动势调整飞行器相位，求解有限燃料固定入轨时间的轨道机动问题，方法能够有效提高收敛性，针对飞行器空间变轨技术，可广泛用于星座部署、重构、空间预警与防护等领域。

为了实现上述目的，本发明的实施例1提出了一种求解固定时间有限燃料多脉冲转移轨道的方法，所述方法包括：

根据飞行器初始状态、目标轨道参数和可用燃料数，计算以霍曼转移到达目标轨道的两次机动速度增量；

通过网格搜索寻找施加霍曼转移的时刻；

以初始时刻的切向脉冲、施加霍曼转移的时刻以及霍曼转移两次机动的速度增量为优化变量，通过局部搜索算法最小化入轨点误差加权和；

以霍曼转移的第二次机动速度增量为优化变量，通过局部搜索算法最小化入轨点处的纬度幅角差；

求解J2摄动下的Lambert转移，实现精确入轨。

作为上述方法的一种改进，所述根据飞行器初始状态、目标轨道参数和可用燃料数，计算以霍曼转移到达目标轨道的两次机动速度增量；具体包括：

根据下式分别计算霍曼转移的第一次机动速度增量Δv_p、第二次机动速度增量Δv_a和改变轨道面倾角所需的速度增量Δv_inc：