一种分布式卫星编队构形设计与保持一体化迭代优化方法

1.本发明属于编队构形设计与控制技术领域，尤其涉及一种分布式 卫星编队构形设计与保持一体化迭代优化方法。


背景技术：

2.干涉合成孔径雷达(interferometric synthetic apertureradar，insar)是获取三维地表信息和形变测量的关键技术。由于卫 星编队系统可以提供超大观测基线和观测精度，并能灵活调节观测基 线，基于卫星编队的insar技术受到各国的重视，日益成为各国空间 基础设施的重要组成部分。insar卫星编队系统可以提供多尺度观测 基线，可以在观测基线间灵活切换，满足全球全地形高程测量的需求。 insar卫星编队技术中，编队构形设计与保持控制是核心技术。其中 编队构形设计是以观测基线需求为输入，根据卫星相对运动规律设计 相应卫星轨道；编队构形保持控制是由利用执行机构和控制策略保持 预定的卫星轨道的过程。
3.目前的编队构形设计与控制是两个独立的技术环节其中构形设 计通常采用数值迭代优化方法，根据基线目标和安全性、稳定性等约 束试凑最优构形公开了“insar卫星编队构型多约束优化设计方法研 究”；构形保持控制常依据构形受摄发散原理优化最优点火位置和点 火速度增量(参见申请号为cn310192870.9的中国专利，公开了“一 种基于燃料消耗优化的卫星编队构形控制方法”)。但卫星携带燃料 有限，只能采用离散脉冲点火控制实现构型保持，若按照既定基线需 求设计的编队系统会受空间摄动影响而发散，导致观测基线离开最优 观测区间而不可用。即，采用现有设计与控制独立技术方案，会出现 观测基线不可用的区域，影响insar系统对全球全地形覆盖。因此， 亟需一种分布式卫星编队构形设计与保持一体化迭代优化方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种分布式卫星编队构形设计与保持一 体化迭代优化方法，获得了观测基线始终可用的编队构形，保证了编 队系统应用效能，大幅提高了观测效率，且计算复杂度低，构形设计 时间短。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种分布式卫星编队构形设计与 保持一体化迭代优化方法，包括以下步骤：
6.根据观测基线需求，构建构形平面内受控运动模型和构建构形平 面外受控运动模型，建立编队构形受摄和受控发散量模型；
7.基于所述编队构形受摄和受控发散量模型建立观测基线受摄发 散量模型；
8.基于所述观测基线受摄发散量模型解析求解编队构形参数；
9.基于所述编队构形参数，根据构形平面内阈值和构形平面外阈值 选取构形维持控制阈值，获得构形参数与控制策略，完成分布式卫星 编队构形设计与保持一体化迭代优化。
10.可选的，构建构形平面内受控运动模型和构建构形平面外受控运 动模型，建立编队构形受摄和受控发散量模型，包括：
11.基于主星轨道坐标系，根据轨道根数差获取分布式卫星编队构形；
12.根据所述分布式卫星编队构形定义新的分布式卫星编队构形向 量，获取编队构形运动学方程和构形维持控制摄动方程；
13.对于平面内构形和平面外构形采用点火脉冲，获取脉冲点火速度 增量和纬度幅角，输入构形维持控制摄动方程中，获得编队构形受摄 和受控发散量模型。
14.可选的，所述分布式卫星编队构形为：
[0015][0016]
其中，rr表示主星轨道坐标系中构形x向尺度，r
t
表示构形y向 尺度，rn表示构形z向尺度；a为构形主星轨道半长轴，f为构形主 星轨道真近点角，ω为主星近地点幅角，δ表示构形主星与从星轨道 参数差。
[0017]
可选的，所述建立观测基线受摄发散量模型包括：根据分布式 sar卫星系统dem测绘和gmti任务需求，编队构形生成dem垂直有 效基线和gmti沿航迹基线，基于所述dem垂直有效基线和所述gmti 沿航迹基线分别建立垂直航迹向发散模型和建立沿航迹向发散模型， 获取垂直航迹向基线最大偏差量和半长轴控制残差最大偏差量。
[0018]
可选的，获取垂直航迹向基线最大偏差量和半长轴控制残差最大 偏差量的计算过程包括：
[0019]bect
＝|xsinφ+zcosφ|
[0020]bat
＝|y|＝|2x+ly|
[0021][0022][0023][0024][0025]
其中，b
ect
为dem垂直有效基线，b
at
为gmti沿航迹基线，φ为 雷达波束投射角，向左边投射取“+”号，向右边投射取
“‑”
号，为构形平面内相位角发散量，δiy构形平面外发散量，δb
ectmax
为垂直 航迹向基线最大偏差量，δb
atmax
为半长轴控制残差最大偏差量。
[0026]
可选的，基于所述观测基线受摄发散量模型解析求解编队构形参 数包括：设定所述观测基线需求，根据所述垂直航迹向基线最大偏差 量和半长轴控制残差最大偏差量与所述观测基线需求进行修正处理 获得目标基线，基于所述目标基线获取解析求解编队构形参数。
[0027]
可选的，获取构形平面内阈值包括：设定构形设计时垂直有效基 线发散量，期望的构形维持控制周期，根据构形平面外幅度发散的垂 直有效基线变化量，获得构形平面内维持控制阈值。
[0028]
可选的，获取构形平面外阈值包括：设定构形沿航迹向发散量， 根据构形平面外幅度发散的垂直有效基线变化量，获取构形平面外阈 值。
[0029]
本发明技术效果：本发明公开了一种分布式卫星编队构形设计与 保持一体化迭代优化方法，通过建立控制能力-基线摄动模型，得到 了定量分析编队控制能力对观测基线摄动影响的方法，解决了编队设 计和编队控制间的耦合影响的问题；通过采用本发明方法，获得了观 测基线始终可用的编队构形，保证了编队系统应用效能，大幅提高了 观测效率，且计算复杂度低，构形设计时间短。
附图说明
[0030]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本 申请的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的 不当限定。在附图中：
[0031]
图1为本发明实施例分布式卫星编队构形设计与保持一体化迭 代优化方法的流程示意图；
[0032]
图2为本发明实施例垂直有效基线示意图。
具体实施方式
[0033]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例 中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本 申请。
[0034]
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算 机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻 辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或 描述的步骤。
[0035]
如图1-2所示，本实施例中提供一种分布式卫星编队构形设计与 保持一体化迭代优化方法，包括以下步骤：
[0036]
根据观测基线需求，构建构形平面内受控运动模型和构建构形平 面外受控运动模型，建立编队构形受摄和受控发散量模型；
[0037]
基于所述编队构形受摄和受控发散量模型建立观测基线受摄发 散量模型；
[0038]
基于所述观测基线受摄发散量模型解析求解编队构形参数；
[0039]
基于所述编队构形参数，根据构形平面内阈值和构形平面外阈值 选取构形维持控制阈值，获得构形参数与控制策略，完成分布式卫星 编队构形设计与保持一体化迭代优化。
[0040]
第一步，建立编队构形受摄和受控发散量模型。首先在主星轨道 坐标系中，利用轨道根数差描述的分布式sar近圆轨道编队构形可以 描述为：
[0041][0042]
其中，rr表示主星轨道坐标系中构形x向尺度，r
t
表示构形y向 尺度，rn表示构形z向尺度；a为构形主星轨道半长轴，f为构形主 星轨道真近点角，ω为主星近地点幅角。δ表示构形主星与从星轨道 参数差。
[0043]
定义新的构形描述向量δα为：
[0044][0045]
其中，无下标表示主星轨道参数，下标d表示构形从星参数。
[0046]
u＝ω+f为主星轨道纬度幅角；e
x
＝ecosω，ey＝esinω，且：
[0047][0048]
简化后可得基于e/i向量描述的编队构形运动学方程为：
[0049][0050]
其中为构形平面内的初始相位； θ＝arctan(δiy/δi
x
)为构形平面外的初始相位。
[0051]
接着，如果令δrr＝δr
t
＝δrn＝0，求解后可得用于构形维持控制 的gauss摄动方程为：
[0052]
aδa≈2δv
t
/n
[0053]
aδλ≈-2δvr/n-3(u-um)δv
t
/n
[0054]
aδe
x
≈δvrsinum/n+2δv
t
cosum/n
[0055]
aδey≈-δvrcosum/n+2δv
t
sinum/n
[0056]
aδi
x
≈δvncosum/n
[0057]
aδiy≈δvnsinum/n
[0058]
其中um为构形维持控制点火时的主星纬度幅角。对于平面内构 形维持，采用两次点火脉冲，其速度增量及点火纬度幅角为：
[0059][0060]
δv
r1
＝δv
r2
＝0
[0061]um1
＝u
m2-π＝ξ
[0062]
其中ξ＝arctan(δey/δe
x
)，δe为构形平面内维持控制e向量改变 量。
[0063]
对于平面外构形维持，采用单次点火脉冲，其速度增量及点火纬 度幅角为：
[0064]
δvn＝naδi
[0065]um1
＝arctan(δiy/δi
x
)
[0066]
其中δi为构形平面外维持控制i向量改变量。将脉冲点火速度增 量和纬度幅角带入gauss摄动方程，即得构形受摄及受控发散量模型。
[0067]
第二步，建立基线受摄发散模型。按分布式sar卫星系统dem测 绘和gmti任务需求，编队构形生成的干涉基线有两种，一是用于dem 的垂直有效基线(effective cross track baseline，图2)b
ect
：
[0068]bect
＝|xsinφ+zcosφ|
[0069]
其中，φ为雷达波束投射角，向左边投射取“+”号，向右边投 射取
“‑”
号；二是用于gmti的沿航迹基线(along track baseline) b
at
：
[0070]bat
＝|y|＝|2x+ly|
[0071]
首先建立垂直航迹向发散模型。在空间摄动力影响下，垂直有效 基线主要受构形径向相位和垂直航迹向δiy受摄变化量的影响。将 两类受摄变化量代入定义式并简化处理后可得：
[0072][0073]
其中，为构形平面内相位角发散量，δiy构形平面外发散量。
[0074]
垂直航迹向基线最大偏差量可以表示为：
[0075][0076]
从上式可知，构形径向发散造成的垂直有效发散量主要由构形平 面内的构形尺度及维持控制周期内造成的相位角偏差决定；构形平面 外发散造成的垂直有效发散量主要由构形平面外的尺度变化量决定。
[0077]
其次建立沿航迹向发散模型。在空间摄动力影响下，沿航迹有效 基线主要受构形径向相位受摄变化量、j2摄动构形沿航迹长期偏移 量δr
r2
、半长轴控制残差造成的沿航迹长期偏移量δr
ra
和大气阻力长 期偏移量δrr的影响。将几类受摄变化量代入定义式并简化处理后可 得：
[0078][0079]
则最大偏差为：
[0080][0081]
从上式可知，沿航迹基线最大偏差量分别由j2摄动造成的构形 平面内周期性偏差量，沿航迹长期漂移量；半长轴控制残差造成的沿 航迹长期漂移量及大气阻力造成的沿航迹长期漂移量三个部分组成。 从构形受摄发散特性量化仿真结果可知，在构形轨道倾角差可控时， 大气阻力及半长轴控制残差造成的长期偏移量为主。
[0082]
第三步，根据修正构形目标，设计构形参数。设观测基线需求为 和修正后的目标基线为：
[0083][0084]
[0085]
解析求解构形参数的方法如下。为满足对称绕飞和自然稳定，需 满足：
[0086]
δa＝δλ＝0
[0087][0088]
e/i向量描述的相对运动模型改写为：
[0089][0090]
此时需要确定的编队构形参数是r
x
，rz，编队构形设计的目标 是使有效垂直基线b
ect
范围内(a≤b
ect
≤b)所覆盖的纬度带([ua,ub]) 尽可能的大，同时沿航迹向基线不超过设计参数并保 持相对距离不小于安全距离约束(d
safe
≤d
xoz
)。
[0091]
将相对运动方程带入垂直基线模型有：其中，且：此时构形参数由和控制，最优构形满足。受单构形垂直有效基线可观测比例的限制，为实现编队构形高测绘效率，减少构形数目，垂直有效基线初相位需满足以下条件：其中为垂直基线中心纬度幅角。
[0092][0093][0094][0095][0096][0097][0098]
第四步，构形维持控制阈值选取。对于平面内维持控制而言，假 设构形设计时垂直有效基线发散量为δb
′
ect
，期望的构形维持控制周 期为ti，针对构形平面外幅度发散的垂直有效基线变化量为δb
′
ectz
， 可得构形平面内维持控制阈值δe
max
为：
[0099][0100]
其中k≥1为预留安全系数(一般取k＝1.5)。同时，求构形沿 航迹向垂直有效基线发散量δb
′
at
满足：
[0101][0102]
对于平面外维持控制而言，如果依照平面内构形维持控制阈值 选取时预估的基线变化量δb
′
ectz
，则平面外构形维持控制阈值δi
max
为：
[0103][0104]
因此，结合构形平面外尺度发散速率，当给定平面外维持控制阀 值时，也间接给定了构形平面外构形维持控制周期to。
[0105]
本发明公开了一种分布式卫星编队构形设计与保持一体化迭代 优化方法，通过建立控制能力-基线摄动模型，得到了定量分析编队 控制能力对观测基线摄动影响的方法，解决了编队设计和编队控制间 的耦合影响的问题；通过采用本发明方法，获得了观测基线始终可用 的编队构形，保证了编队系统应用效能，大幅提高了观测效率，且计 算复杂度低，构形设计时间短。
[0106]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技 术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围 之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。