含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列搜索方法与系统

摘要

含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列搜索方法与系统，给定飞越序列中目标和施加脉冲的数目，同时给定一种脉冲和目标的排列方式；设计单脉冲双星和两脉冲三星目标搜索策略；建立单脉冲双星和两脉冲三星飞越轨迹规划模型，并设计相应的多星飞越轨迹规划方法；根据第一个飞越片段的种类选择相应的目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并获得飞越片段；重复根据下一个飞越片段的种类选择相应的目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并获得飞越片段这一过程，直到搜索完所有飞越片段。该方法能从海量候选目标中找出满足多星飞越条件的目标组合，规划出相应的脉冲飞越轨迹，获得含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列。

说明书

技术领域

本发明属于航天器飞行任务规划领域，尤其涉及一种多脉冲多星飞越序列搜索方法与系统。

背景技术

多星飞越序列规划是多目标访问任务规划中一类典型的问题。包括多卫星抵近侦察任务和多小行星飞越观测任务等都可以考虑为多星飞越序列规划问题。

在传统的多脉冲多星飞越序列规划问题中，可施加的脉冲数通常大于访问目标的个数。完成前一个目标的飞越后至少可以施加一次脉冲用以瞄准下一个目标。这类问题的数学特性与多星交会序列规划问题类似，求解难点主要在于访问次序的优化。但当机动次数受限，可施加的脉冲数小于访问目标的个数时，飞越序列中会出现两个相邻访问目标之间没有脉冲，也即一个脉冲需要同时瞄准两个甚至更多目标的情况。这种情况下，求解难点不再是访问次序的优化，而是如何从大规模候选目标中搜索出满足单脉冲多星飞越条件的目标组合，进而获得含“一石多鸟”飞越片段的飞越序列。其中，飞越片段定义为航天器从当前目标出发，通过一至两个脉冲飞越一个或同时飞越多个目标所形成的飞行轨迹。

含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列搜索需要首先解决多星飞越轨迹规划问题。传统的脉冲飞越轨迹规划方法往往是先求出一个脉冲交会解，然后将交会终端的脉冲释放获得相应的飞越解。该方法只能用于单个目标的飞越轨迹规划，无法通过一个脉冲实现对多个目标的同时飞越。此外，目前还没有有效的方法可以快速找出满足多星飞越条件的目标组合。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列搜索方法与系统。该方法能够较快地从海量候选目标中找出满足多星飞越条件的目标组合，规划出相应的脉冲飞越轨迹，进而获得含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列。该方法可为面向大规模目标的多星飞越序列搜索提供有效技术支撑。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是：

含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列搜索方法，包括以下步骤：

S1：给定本次搜索的多星飞越序列中访问目标和施加脉冲的数目；

S2：根据目标和脉冲的数目给定脉冲和目标的排列方式，由目标的排列方式确定多星飞越序列，包括多星飞越序列中飞越片段的数量、各飞越片段的种类和排列顺序；

S3：以航天器出发目标的位置和速度作为当前初始状态，根据多星飞越序列中的第一个飞越片段的种类选择相应的飞越目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并采用相应的多星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段；

S4：以航天器飞越上一个飞越片段中最后一个目标的位置和速度为当前初始状态，根据S2中确定的多星飞越序列中的下一个飞越片段的种类选择相应的飞越目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并采用相应的多星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段；

S5：不断重复S4直到获得一条完整的多星飞越序列。

作为本发明的优选方案，本发明S1中，目标的数目大于脉冲数目但不大于脉冲数目的两倍。

作为本发明的优选方案，本发明S2中，给定的脉冲和目标的排列方式需满足以下两个约束条件：1）任意两个相邻脉冲之间的目标个数不超过3；2）若存在3个连续的目标，则飞越3个连续目标之前至少要安排两个连续的脉冲。

作为本发明的优选方案，本发明飞越目标搜索策略分为单脉冲双星飞越片段的飞越目标搜索策略和两脉冲三星飞越片段的飞越目标搜索策略，如果为单脉冲双星飞越片段，则选择单脉冲双星飞越片段的飞越目标搜索策略，找出潜在的目标组合；如果为两脉冲三星飞越片段，则选择两脉冲三星飞越片段的飞越目标搜索策略，找出潜在的目标组合。

作为本发明的优选方案，单脉冲双星飞越片段的飞越目标搜索策略的搜索方法如下：

（1）：随机给一段滑行时间

（2）：随机给一个脉冲

（3）：计算

（4）：若

（5）：将

作为本发明的优选方案，两脉冲三星飞越片段的飞越目标搜索策略的搜索方法如下：

（1）：随机给一段滑行时间

（2）：随机给一个脉冲

（3）：随机给一个脉冲

（4）：计算

（5）：若

（6）：将

作为本发明的优选方案，多星飞越轨迹规划方法分为单脉冲双星飞越轨迹规划方法和两脉冲三星飞越轨迹规划方法，如果为单脉冲双星飞越片段，则选择单脉冲双星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段，如果为两脉冲三星飞越片段，则选择两脉冲三星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段。

作为本发明的优选方案，单脉冲双星飞越轨迹规划方法，包括：

（1）：构建四脉冲双星交会轨迹优化模型；

四脉冲双星交会轨迹优化模型的设计变量为：

其中，

四脉冲双星交会轨迹优化模型包括三类约束，第一类约束为脉冲速度增量约束：

式中，

第二类约束为航天器在交会时刻与访问目标之间的相对位置约束：

式中，

第三类约束为航天器在交会时刻与访问目标之间的相对速度约束：

式中，

四脉冲双星交会轨迹优化模型的目标函数为最小化中间两个脉冲矢量和的模：

式中，

（2）：采用交会轨迹优化过渡法将四脉冲双星交会轨迹过渡到单脉冲双星飞越轨迹；

航天器通过四脉冲交会两个目标的飞行过程中，航天器、第一个访问目标和第二个访问目标在初始时刻

对于任给的一组设计变量

作为本发明的优选方案，两脉冲三星飞越轨迹规划方法，包括：

（1）：构建七脉冲三星交会轨迹优化模型；

七脉冲三星交会轨迹优化模型的设计变量为：

其中，

其中，

七脉冲三星交会轨迹优化模型包括三类约束。第一类为脉冲速度增量约束：

式中，

第二类约束为航天器在交会时刻与访问目标之间的相对位置约束：

式中，

第三类约束为航天器在交会时刻与访问目标之间的相对速度约束：

式中，

七脉冲三星交会轨迹优化模型的目标函数为最小化第三、第四个脉冲矢量和与第五、第六个脉冲矢量和的模：

式中，

（2）：采用交会轨迹优化过渡法将七脉冲三星交会轨迹过渡到两脉冲三星飞越轨迹；

对于任给的一组设计变量[

本发明还提供了一种含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列搜索系统，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

S1：给定本次搜索的多星飞越序列中访问目标和施加脉冲的数目；

S2：根据目标和脉冲的数目给定脉冲和目标的排列方式，由目标的排列方式确定多星飞越序列，包括多星飞越序列中飞越片段的数量、各飞越片段的种类和排列顺序；

S3：以航天器出发目标的位置和速度作为当前初始状态，根据多星飞越序列中的第一个飞越片段的种类选择相应的飞越目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并采用相应的多星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段；

S4：以航天器飞越上一个飞越片段中最后一个目标的位置和速度为当前初始状态，根据S2中确定的多星飞越序列中的下一个飞越片段的种类选择相应的飞越目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并采用相应的多星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段；

S5：不断重复S4直到获得一条完整的多星飞越序列。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

S1：给定本次搜索的多星飞越序列中访问目标和施加脉冲的数目；

S2：根据目标和脉冲的数目给定脉冲和目标的排列方式，由目标的排列方式确定多星飞越序列，包括多星飞越序列中飞越片段的数量、各飞越片段的种类和排列顺序；

S3：以航天器出发目标的位置和速度作为当前初始状态，根据多星飞越序列中的第一个飞越片段的种类选择相应的飞越目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并采用相应的多星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段；

S4：以航天器飞越上一个飞越片段中最后一个目标的位置和速度为当前初始状态，根据S2中确定的多星飞越序列中的下一个飞越片段的种类选择相应的飞越目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并采用相应的多星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段；

传统的飞越序列规划方法仅适用于相邻目标之间至少包含一个脉冲的飞越序列规划问题。本发明提供的含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列搜索方法和系统，根据给定的脉冲和访问目标的排列方式，逐段搜索飞越目标，规划脉冲机动时刻和机动量，获得满足约束的飞越片段，进而通过飞越片段逐段累加的方式获得最终的多星飞越序列。本发明克服了传统飞越序列规划方法的不足，可有效支持两个或三个相邻目标之间没有脉冲的情况，实现了对含“一石多鸟”飞越序列的大规模全局搜索。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的流程图;

图2为飞越片段示例图；

图3为航天器通过四脉冲交会两个目标的飞行过程图；

图4为航天器通过七脉冲交会三个目标的飞行过程图；

图5为单脉冲双星飞越片段的搜索过程图；

图6是两脉冲三星飞越片段的搜索过程图；

图7是“222” 多星飞越序列的搜索过程图；

图8展示了航天器从太阳系出发依次飞越6颗恒星的飞行轨迹图；

图9展示了航天器从太阳系出发依次飞越5颗恒星的飞行轨迹图。

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的一部分实施例，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作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：

如图1所示，本实施例提供的含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列搜索方法，包含以下几个步骤：

S1：给定本次搜索的多星飞越序列中访问目标和施加脉冲的数目。其中，访问目标的数目大于脉冲的数目但不大于脉冲数目的两倍。

S2：根据目标和脉冲的数目给定脉冲和目标的排列方式，由目标的排列方式确定多星飞越序列。目标的排列方式决定了本次搜索的序列中飞越片段的数量、各飞越片段的种类和排列顺序;

本发明将航天器从当前目标出发，通过一至两个脉冲飞越一个或同时飞越多个目标所形成的飞行轨迹定义为一个飞越片段。其中，飞越片段的起始时刻为飞越上一个飞越片段中最后一个目标的时刻，飞越片段的终端时刻为飞越某个或多个目标中最后一个目标的时刻。图2给出了一条目标数目为7，脉冲数目为4的飞越序列示例，包含了3个飞越片段。其中，

本步骤给定的脉冲和目标的排列方式需满足以下两个约束条件：1）任意两个相邻脉冲之间的目标个数不超过3；2）若存在3个连续的目标，则飞越3个连续目标之前至少要安排两个连续的脉冲。

S3：分别设计单脉冲双星飞越片段的飞越目标搜索策略和两脉冲三星飞越片段的飞越目标搜索策略。

S301：设计单脉冲双星飞越片段的飞越目标搜索策略；

单脉冲双星飞越片段的飞越目标搜索策略的搜索流程如下：

S30101：随机给一段滑行时间

S30102：随机给一个脉冲

S30103：计算

S30104：若

S30105：将

S302：设计两脉冲三星飞越片段的飞越目标搜索策略；

两脉冲三星飞越片段的飞越目标搜索策略的流程如下：

S30201：随机给一段滑行时间

S30202：随机给一个脉冲

S30203：随机给一个脉冲

S30204：计算

S30205：若

S30206：将

S4：设计单脉冲双星飞越轨迹规划方法和两脉冲三星飞越轨迹规划方法。

S401：设计单脉冲双星飞越轨迹规划方法。

S40101：构建四脉冲双星交会轨迹优化模型；

四脉冲双星交会轨迹优化模型的设计变量为：

其中，

四脉冲双星交会轨迹优化模型需要考虑以下三类约束。第一类约束为脉冲速度增量约束：

式中，

第二类约束为航天器在交会时刻与访问目标之间的相对位置约束：

式中，

第三类约束为航天器在交会时刻与访问目标之间的相对速度约束：

式中，

四脉冲双星交会轨迹优化模型的目标函数为最小化中间两个脉冲矢量和的模：

式中，

S40102：采用交会轨迹优化过渡法将四脉冲交会解过渡到单脉冲飞越解；

航天器通过四脉冲交会两个目标的飞行过程图3所示。其中，

S402：设计两脉冲三星飞越轨迹规划方法。

S40201：构建七脉冲三星交会轨迹优化模型；

七脉冲三星交会轨迹优化模型的设计变量为：

其中，

其中，

七脉冲三星交会轨迹优化模型的需要考虑以下三类约束。第一类为脉冲速度增量约束：

式中，

第二类约束为航天器在交会时刻与访问目标之间的相对位置约束：

式中，

第三类约束为航天器在交会时刻与访问目标之间的相对速度约束：

式中，

七脉冲三星交会轨迹优化模型的目标函数为最小化第三、第四个脉冲矢量和与第五、第六个脉冲矢量和的模：

式中，

S40202：采用交会轨迹优化过渡法将七脉冲交会解过渡到两脉冲飞越解；

航天器通过七脉冲交会三个目标的飞行过程如图4所示。其中，

S5：以航天器出发目标的位置速度为当前初始状态，根据S2中给定的多星飞越序列中的第一个飞越片段的种类选择S3中相应的飞越目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并采用S4中相应的多星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段。

本步骤可概括为“试射+微调”两个阶段。其中，“试射”是从海量目标中找出潜在的可以同时飞越的目标组合，也即S3的搜索过程。而“微调”则是通过优化的方法调整“试射”轨迹，使航天器能够同时飞越搜出的潜在目标组合，也即S4的优化过程。单脉冲双星飞越片段的搜索过程如图5所示，两脉冲三星飞越片段的搜索过程如图6所示。

S6：以航天器飞越上一个片段中最后一颗星的位置速度为当前初始状态，根据S2中确定的多星飞越序列中的下一个飞越片段的种类选择S3中相应的飞越目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并采用S4中相应的多星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段。

S7：不断重复S6直到获得一条完整的多星飞越序列。

重复S6的过程即为搜索飞越序列时飞越片段不断累加的过程。为了方便描述，本发明采用数字串来表征飞越序列的类型。其中，数字串的长度（位数）表示总共施加的脉冲数目，数字串中的数字表示每个脉冲施加后飞越的目标个数。例如，“222”表示航天器总共施加了3次脉冲，飞越了6个目标，每个脉冲分别飞越两个目标。“0322”表示航天器总共施加了4次脉冲，飞越了7个目标，前两个脉冲飞越了三个目标，后两个脉冲各飞越了两个目标。“222”飞越序列的搜索过程如图7所示。

至此，基于飞越片段累加法对含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列搜索过程全部完成。

实施例2：

本实施例以银河系多恒星飞越序列搜索为例进行说明。本实施例中出发目标为太阳系，其初始时刻的位置和速度分别为[8.34 kpc, 0, 0]和[0, -256.41 km/s, 0]。其中1kpc = 30856775814671900 km。航天器的初始位置和速度与太阳系相同。

本实施例含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列搜索方法，包括以下步骤：

S1：给定本次搜索的飞越序列中被访问目标和施加脉冲的数目；

本次搜索的飞越序列给定为，被访问目标数为6个，脉冲数为3个。

S2：根据被访问目标和脉冲的数目给定一种脉冲和目标的排列方式，该排列方式决定了序列中飞越片段的数量、各飞越片段的种类和排列顺序；

本次搜索的飞越序列给定为“222”类型。因此，该序列中飞越片段的数量为3，均为单脉冲双星飞越片段。

S3：按照实施例1中S3中的方法分别设计单脉冲双星目标搜索策略和两脉冲三星目标搜索策略。

S4：按照实施例1中S4中的方法分别建立单脉冲双星和两脉冲三星飞越轨迹规划模型，并设计相应的多星飞越轨迹规划方法。

S5：以航天器出发目标的位置和速度为当前初始状态，根据S2中给定的第一个飞越片段的种类选择S3中相应的目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并采用S4中相应的多星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段；

本实施例S2中给定的第一个飞越片段为单脉冲双星飞越片段，因此选择S3中的单脉冲双星目标搜索策略，通过单脉冲双星目标搜索策略获得两颗潜在的可同时飞越的恒星编号为10672和9880，星历数据可通过访问https://gtocx.jpl.nasa.gov/gtocx/data/获得。然后采用单脉冲双星飞越轨迹规划方法获得同时飞越10672号和9880号恒星的飞越轨迹。

S6：航天器飞越上一个片段中最后一颗星的位置和速度为当前初始状态，根据S2中确定的下一个飞越片段的种类选择S3中相应的目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并采用S4中相应的多星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段；

S7：不断重复S6直到获得一条完整的多星飞越序列。

以飞越9880号恒星时航天器的位置和速度为当前位置和速度，选择S3中的单脉冲双星目标搜索策略，通过步骤（1）~（5）获得两颗潜在的可同时飞越的恒星编号为40977和99421，然后采用单脉冲双星飞越轨迹规划方法获得同时飞越40977号和99421号恒星的飞越轨迹。再以飞越99421号恒星时航天器的位置和速度为当前位置和速度，选择S3中的单脉冲双星目标搜索策略，通过步骤（1）~（5）获得两颗潜在的可同时飞越的恒星编号为13002和12384，然后采用单脉冲双星飞越轨迹规划方法获得同时飞越13002号和12384号恒星的飞越轨迹。至此，一条完整的“222”多星飞越序列搜索完毕。

图8展示了航天器从太阳系出发依次飞越6颗恒星的飞行轨迹。表1给出了本例“222”飞越序列的相关信息。从表中可以看出航天器飞越这6颗恒星时相对距离均小于10

表1 “222”飞越序列相关信息

实施例3：

本实施例中出发目标任为太阳系，其初始时刻的位置和速度分别为[8.34 kpc, 0, 0]和[0, -256.41 km/s, 0]。其中1 kpc = 30856775814671900 km。航天器的初始位置和速度与太阳系相同。

本实施例含“一石多鸟”飞越片段的多星飞越序列搜索方法，包括以下步骤：

S1：给定本次搜索的飞越序列中被访问目标和施加脉冲的数目。

本次搜索的飞越序列给定为，被访问目标数为5个，脉冲数为3个。

S2：根据被访问目标和脉冲的数目给定一种脉冲和目标的排列方式，该排列方式决定了序列中飞越片段的数量、各飞越片段的种类和排列顺序;

本次搜索的飞越序列给定为“032”类型。因此，该序列中飞越片段的数量为2，第一个为两脉冲三星飞越片段，第二个为单脉冲双星飞越片段。

S3：按照实施例1中S3中的方法分别设计单脉冲双星目标搜索策略和两脉冲三星目标搜索策略。

S4：按照实施例1中S4中的方法分别建立单脉冲双星和两脉冲三星飞越轨迹规划模型，并设计相应的多星飞越轨迹规划方法。

S5：以航天器出发目标的位置和速度为当前初始状态，根据S2中给定的第一个飞越片段的种类选择S3中相应的目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并采用S4中相应的多星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段;

S2中给定的第一个飞越片段为两脉冲三星飞越片段，因此选择S3中的两脉冲三星目标搜索策略，获得三颗潜在的可同时飞越的恒星编号为2097、49164和4478，然后采用两脉冲三星飞越轨迹规划方法获得同时飞越2097号、49164号和4478号恒星的飞越轨迹。

S6：以航天器飞越上一个片段中最后一颗星的位置和速度为当前初始状态，根据S2中确定的下一个飞越片段的种类选择S3中相应的目标搜索策略，找出潜在的目标组合，并采用S4中相应的多星飞越轨迹规划方法获得满足约束的飞越片段;

S7：不断重复S6直到获得一条完整的多星飞越序列。

以飞越4478号恒星时航天器的位置和速度为当前位置和速度，选择S3中的单脉冲双星目标搜索策略，获得两颗潜在的可同时飞越的恒星编号为4855和36794，然后采用单脉冲双星飞越轨迹规划方法获得同时飞越4855号和36794号恒星的飞越轨迹。至此，一条完整的“032”多星飞越序列搜索完毕。

图9展示了航天器从太阳系出发依次飞越5颗恒星的飞行轨迹。表2给出了本例“032”飞越序列的相关信息。从表中可以看出航天器飞越这5颗恒星时相对距离均小于10

表2 “032”飞越序列相关信息

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。