一种基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法及系统，通过确定对集群卫星二冲量变轨模型影响显著的输入变量集合，并将输入变量集合作为代理输入变量，基于代理输入变量和集群卫星二冲量变轨模型，建立二冲量变轨代理模型以及基于二冲量变轨代理模型，实现卫星集群构形重构优化，解决了现有卫星集群构形重构规划方法计算复杂的技术问题，通过筛选对集群卫星二冲量变轨模型影响显著的输入变量，不仅降低了输入变量维数，从而降低了计算复杂度，而且使得基于筛选出的对集群卫星二冲量变轨模型影响显著的输入变量建立的二冲量变轨代理模型，能以较高精度实现卫星集群构形重构优化。

A reconfiguration planning method and system of satellite cluster configuration based on Agent Model

The invention discloses a satellite cluster configuration reconstruction planning method and system based on agent model. By determining the set of input variables that have significant influence on the cluster satellite two impulse orbit change model, and taking the set of input variables as the agent input variables, the agent model of two impulse orbit change is established based on the agent input variables and the cluster satellite two impulse orbit change model The orbit agent model can realize the optimization of satellite cluster configuration reconstruction, and solve the technical problem of complex calculation of existing satellite cluster configuration reconstruction planning methods. By selecting the input variables that have significant influence on the cluster satellite two impulse orbit change model, not only the dimension of input variables is reduced, but also the calculation complexity is reduced, and the cluster satellite two impulse orbit change model based on the selection is made The two impulse orbit changing agent model, which is based on the input variable with a significant influence of type A, can realize the configuration reconstruction optimization of satellite cluster with high precision.

【技术实现步骤摘要】
一种基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法及系统
本专利技术涉及航天器
，特别涉及一种基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法及系统。
技术介绍
多个结构上互不相连的人造地球卫星相伴飞行，通过卫星间通信和信息耦合协同工作，共同完成空间任务，称为“卫星集群”。利用卫星集群协同代替单个卫星执行任务，能够带来性能提升、可靠性增加、适应性增强等诸多优势，并能实现单个卫星不可能完成的任务。与常规卫星编队相比，卫星集群的距离尺度更大，可达上百公里，且卫星集群的运动构形不要求严格和固定的几何形状。随着微小卫星、纳米卫星和皮卫星等技术的不断成熟，利用大规模相对简单而廉价的卫星组成集群并协同完成复杂航天任务受到广泛关注。随着任务的变化，卫星集群的运动的构形需要调整，即调整集群中各个卫星的轨道位置，称为卫星集群构形重构。燃料对航天任务寿命的瓶颈作用，使得节省燃料消耗的最优构形重构成为研究的重要问题。对包含较多卫星的大规模集群，构形最优机动问题规模十分庞大，复杂的集群最优机动规划问题一方面对求解方法提出挑战，另一方面带来极大的计算开销。针对卫星集群构形重构问题，有的研究放弃最优，仅给出可行解，例如采用基于行为的方法，通过实施多种预定义行为的叠加实现航天器大规模集群的构形重构。当前集群构形最优重构的研究，主要是采用层次化分解的思想，以顶层规划搜索目标构形相位和位置分配的全局变量，以底层各卫星的运动规划求解各卫星到顶层规划给出的目标构形位置的最优解。由于规划中需大量求解底层规划，计算开销十分庞大。当前研究针对的都是近距离卫星编队重构问题，采用线性相对运动模型，从而简化了计算。而对于相距上百公里的卫星集群，线性化相对运动模型误差过大而不能使用，必须采用更复杂的非线性摄动模型计算，此时由于计算开销太大将丧失计算的时效性。在底层规划中如何在保证足够精确度的基础上极大降低计算开销，是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术提供的一种基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法及系统，解决了现有卫星集群构形重构规划方法计算复杂的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出的一种基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法包括：确定对集群卫星二冲量变轨模型影响显著的输入变量集合，并将输入变量集合作为代理输入变量；基于代理输入变量和集群卫星二冲量变轨模型，建立二冲量变轨代理模型；基于二冲量变轨代理模型，实现卫星集群构形重构优化。进一步地，确定对集群卫星二冲量变轨模型影响显著的输入变量集合包括：对集群卫星二冲量变轨模型的输入变量进行变换，获得变换变量；确定变换变量的取值范围；在变换变量的取值范围内，对变换变量进行抽样，获得抽样样本；基于抽样样本和集群卫星二冲量变轨模型，求解获得集群卫星二冲量变轨模型的隐函数值；利用全局灵敏度分析方法，确定对隐函数值影响显著的输入参数集合，并将输入参数集合作为对集群卫星二冲量变轨模型影响显著的输入变量集合。进一步地，基于代理输入变量和集群卫星二冲量变轨模型，建立二冲量变轨代理模型包括：在代理输入变量的取值范围内，随机生成大于预设抽样数目的具有不同输入参数值组合的抽样点；将非代理输入变量的取值在其取值范围内设置为固定值，获得非代理输入变量固定值，非代理输入变量是指集群卫星二冲量变轨模型中未选作代理输入变量的输入变量；根据抽样点和非代理输入变量固定值，构造完整输入变量；基于完整输入变量和集群卫星二冲量变轨模型，建立二冲量变轨代理模型。进一步地，基于二冲量变轨代理模型，实现卫星集群构形重构优化包括：基于二冲量变轨代理模型，建立单星优化模型；基于单星优化模型，建立卫星集群构形重构优化模型；基于卫星集群构形重构优化模型，实现卫星集群构形重构优化。进一步地，二冲量变轨代理模型具体为：其中，为二冲量变轨代理模型，和分别为第一次冲量和第二次冲量，XS为代理输入变量。进一步地，单星优化模型具体为：其中，代表当前构形中第j个卫星轨道向期望构形中第k个轨道转移的最优性指标，即最小燃料消耗，和分别为由当前构形中第j个卫星轨道向期望构形中第k个轨道转移的第一次冲量和第二次冲量，和分别为由当前构形中第j个卫星轨道向期望构形中第k个轨道转移的第一次冲量时间和第二次冲量时间，||表示向量的长度，为二冲量变轨代理模型，为由当前构形中第j个卫星轨道向期望构形中第k个轨道转移的代理输入变量集合。进一步地，卫星集群构形重构优化模型具体为：λjk∈{0,1},(j,k＝1,2,…,N)其中，代表当前构形中第j个卫星轨道向期望构形中第k个轨道转移的最优性指标，即最小燃料消耗，λjk代表当前构形中第j个卫星向期望构形第k个轨道位置转移的分配变量，N代表卫星集群中卫星的总数目。进一步地，对集群卫星二冲量变轨模型的输入变量进行变换，获得变换变量包括：确定集群卫星二冲量变轨模型的输入变量，输入变量具体为：X＝{ac0,ec0,ic0,Ωc0,ωc0,uc0,ad0,ed0,id0,Ωd0,ωd0,ud0,t1,t2}其中，ac0和ad0分别代表当前和期望轨道的平半长轴，ec0和ed0分别代表当前和期望轨道的平偏心率，ic0和ic0分别代表当前和期望轨道的平倾角，Ωc0和Ωd0分别代表当前和期望轨道的平升交点赤经，ωc0和ωd0分别代表当前和期望轨道的平近地点幅角，uc0和ud0分别代表当前和期望轨道的平纬度幅角；将输入变量中的ad0,id0,Ωd0,ud0，分别变换为轨道根数偏差：△a＝ad0-ac0,△i＝id0-ic0,△Ω＝Ωd0-Ωc0,△u＝ud0-uc0；对输入变量中的ec0和ed0分别进行对数变换，获得和从而获得变换变量：X＝{ac0,lec0,ic0,Ωc0,ωc0,uc0,△a,led0,△i,△Ω,ωd0,△u,t1,tspan}，其中tspan＝t2-t1。本专利技术提出的基于代理模型的卫星集群构形重构规划系统包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现本专利技术的基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法的步骤。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术提供的基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法及系统，通过确定对集群卫星二冲量变轨模型影响显著的输入变量集合，并将输入变量集合作为代理输入变量，基于代理输入变量和集群卫星二冲量变轨模型，建立二冲量变轨代理模型以及基于二冲量变轨代理模型，实现卫星集群构形重构优化，解决了现有卫星集群构形重构规划方法计算复杂的技术问题，通过筛选对集群卫星二冲量变轨模型影响显著的输入变量，不仅降低了输入变量维数，从而降低了计算复杂度，而且使得基于筛选出的对集群卫星二冲量变轨模型影响显著的输入变量建立的二冲量变轨代理模型，能精准实现卫星集群构形重构优化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法，其特征在于，所述方法包括：/n确定对集群卫星二冲量变轨模型影响显著的输入变量集合，并将所述输入变量集合作为代理输入变量；/n基于所述代理输入变量和集群卫星二冲量变轨模型，建立二冲量变轨代理模型；/n基于所述二冲量变轨代理模型，实现卫星集群构形重构优化。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法，其特征在于，所述方法包括：
确定对集群卫星二冲量变轨模型影响显著的输入变量集合，并将所述输入变量集合作为代理输入变量；
基于所述代理输入变量和集群卫星二冲量变轨模型，建立二冲量变轨代理模型；
基于所述二冲量变轨代理模型，实现卫星集群构形重构优化。


2.根据权利要求1所述的基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法，其特征在于，确定对集群卫星二冲量变轨模型影响显著的输入变量集合包括：
对集群卫星二冲量变轨模型的输入变量进行变换，获得变换变量；
确定所述变换变量的取值范围；
在所述变换变量的取值范围内，对所述变换变量进行抽样，获得抽样样本；
基于所述抽样样本和集群卫星二冲量变轨模型，求解获得所述集群卫星二冲量变轨模型的隐函数值；
利用全局灵敏度分析方法，确定对所述隐函数值影响显著的输入参数集合，并将所述输入参数集合作为对所述集群卫星二冲量变轨模型影响显著的输入变量集合。


3.根据权利要求2所述的基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法，其特征在于，基于所述代理输入变量和集群卫星二冲量变轨模型，建立二冲量变轨代理模型包括：
在所述代理输入变量的取值范围内，随机生成大于预设抽样数目的具有不同输入参数值组合的抽样点；
将非代理输入变量的取值在其取值范围内设置为固定值，获得非代理输入变量固定值，所述非代理输入变量是指所述集群卫星二冲量变轨模型中未选作代理输入变量的输入变量；
根据所述抽样点和非代理输入变量固定值，构造完整输入变量；
基于所述完整输入变量和所述集群卫星二冲量变轨模型，建立二冲量变轨代理模型。


4.根据权利要求3所述的基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法，其特征在于，基于所述二冲量变轨代理模型，实现卫星集群构形重构优化包括：
基于所述二冲量变轨代理模型，建立单星优化模型；
基于所述单星优化模型，建立卫星集群构形重构优化模型；
基于所述卫星集群构形重构优化模型，实现卫星集群构形重构优化。


5.根据权利要求1-4任一所述的基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法，其特征在于，所述二冲量变轨代理模型具体为：



其中，为二冲量变轨代理模型，和分别为第一次冲量和第二次冲量，XS为代理输入变量。


6.根据权利要求4所述的基于代理模型的卫星集群构形重构规划方法，其特征在于，所述单星优化模型具体为：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈琪锋，韩耀昆，刘俊，孟云鹤，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43