一种基于自适应代理模型的平动点航天器编队重构方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天器编队重构技术领域，尤其涉及一种基于自适应代理模型的平动 点航天器编队重构方法。
【背景技术】
[0002] 航天器编队是指多个航天器联合组成一个虚拟大型航天器，用以完成单个航天器 难以完成的任务，在航天器编队任务发生变化或者遇到突发情况时，需要通过编队构型的 重构来保证其任务的完成。当目标编队构型已知，只需要根据最优控制理论求解出航天器 编队重构的最优轨迹。目前大部分文献和科研工作都属于已知目标构型的情况。但是，在 许多突发情况下航天器最终构型需要根据编队的任务和实际情况确定，这时候编队重构问 题就会变成复杂的优化问题。在执行深空探测任务的航天器编队中，探测分辨率和工作寿 命最为重要，因此在编队重构时需要保证较大的探测范围就必须使编队构成的展开面积最 大；若需要保证尽可能长的工作寿命，就必须保证重构过程中能量消耗尽可能少。传统的基 于梯度的参数优化方法求解速度快，但是缺点是只能得到局部最优解。而智能类参数优化 算法，比如遗传算法或者蚁群算法等，具有很强搜索全局最优解能力，但智能算法的缺点是 计算量大、计算效率低下。由于航天器编队重构之后仍然会执行较长时间的工作任务，这时 如果利用传统的梯度类算法，会对编队之后任务执行产生持续性的影响，所以梯度算法并 不适用。如果采用智能算法，由于计算效率十分低下，在计算过程中航天器编队只能保持原 有的构型，使得这期间内就无法执行正常工作任务，所以智能算法对于编队重构问题也不 是非常适合。
【发明内容】
[0003] 本发明主要解决日地系统中平动点附近航天器编队重构过程中，现有技术获得最 优重构构型及最优重构轨迹的方法不能解决计算效率与计算精度之间的矛盾的问题，提出 一种基于自适应代理模型的平动点航天器编队重构方法，能够在计算效率较高的前提下得 到与真实最优解非常接近的编队重构结果。
[0004] 本发明提供了一种基于自适应代理模型的平动点航天器编队重构方法，所述基于 自适应代理模型的平动点航天器编队重构方法包括以下步骤：
[0005] 步骤100,建立日地系统平动点附近航天器编队受控动力学方程；
[0006] 步骤200,根据航天器编队重构的任务需求，选择优化目标，得到航天器编队重构 的优化问题；
[0007] 步骤300，建立航天器编队重构的自适应代理模型，并利用自适应代理模型得到航 天器编队的最优重构轨迹，包括以下子步骤：
[0008] 步骤301，对初始试验点进行超曲面的拟合得到代理模型，并获得代理模型的全局 最优解；
[0009] 步骤302,在代理模型的最优解附近增加试验点，判断前后两个代理模型得到的最 优解是否一致，否则继续增加试验点并更新代理模型，直至最终获得收敛解；
[0010] 步骤303,利用获得的收敛解，得到航天器编队的最优重构构型，进而获得航天器 编队的最优重构轨迹。
[0011] 进一步的，在步骤300之后，还包括：
[0012] 步骤400,缩小自适应代理模型中变量的取值范围，依次重复步骤300,并验证自 适应代理模型的有效性。
[0013] 进一步的，所述建立日地系统平动点附近航天器编队受控动力学方程，包括：
[0014] 基于圆形限制性三体模型，将局部坐标系原点选择在日地系统第二平动点L2上， 局部坐标系的X轴从太阳指向地球，y轴垂直于X轴，并且在日地旋转面内，z轴根据右手法 则确定，得到如下航天器受控动力学方程：
【主权项】
1. 一种基于自适应代理模型的平动点航天器编队重构方法，其特征在于，所述基于自 适应代理模型的平动点航天器编队重构方法包括W下步骤： 步骤100,建立日地系统平动点附近航天器编队受控动力学方程； 步骤200,根据航天器编队重构的任务需求，选择优化目标，得到航天器编队重构的优 化问题； 步骤300，建立航天器编队重构的自适应代理模型，并利用自适应代理模型得到航天器 编队的最优重构轨迹，包括W下子步骤： 步骤301，对初始试验点进行超曲面的拟合得到代理模型，并获得代理模型的全局最优 解； 步骤302,在代理模型的最优解附近增加试验点，判断前后两个代理模型得到的最优解 是否一致，否则继续增加试验点并更新代理模型，直至最终获得收敛解； 步骤303,利用获得的收敛解，得到航天器编队的最优重构构型，进而获得航天器编队 的最优重构轨迹。
2. 根据权利要求1所述的基于自适应代理模型的平动点航天器编队重构方法，其特征 在于，在步骤300之后，还包括： 步骤400,缩小自适应代理模型中变量的取值范围，依次重复步骤300,并验证自适应 代理模型的有效性。
3. 根据权利要求1所述的基于自适应代理模型的平动点航天器编队重构方法，其特征 在于，所述建立日地系统平动点附近航天器编队受控动力学方程，包括： 基于圆形限制性S体模型，将局部坐标系原点选择在日地系统第二平动点L2上，局部 坐标系的X轴从太阳指向地球，y轴垂直于X轴，并且在日地旋转面内，Z轴根据右手法则确 定，得到如下航天器受控动力学方程：
其中，i= 1，2,…，n,n是编队航天器的数目，y表示地球质量与地球和太阳质量之和 的比值，
丫表示地 球到第二平动点L2的距离，<、W'l和表示第i个航天器的控制输入变量，上标i表示 第i个航天器，i和X分别表示坐标X对时间的一阶导数和二阶导数，将航天器的推力作为 控制输入变量。
4. 根据权利要求1所述的基于自适应代理模型的平动点航天器编队重构方法，其特征 在于，步骤200中，将编队航天器的展开面积和燃料消耗作为优化目标，得到航天器编队重 构的多目标优化问题。
5. 根据权利要求4所述的基于自适应代理模型的平动点航天器编队重构方法，其特征 在于，所述将编队航天器的展开面积和燃料消耗作为优化目标，得到航天器编队重构的多 目标优化问题，包括： 通过W下公式对航天器编队重构进行优化：
其中，Xt、y。和0分别表示整个航天器编队构型的几何形屯、和相对于局部坐标X轴的 旋转角，S表示航天器编队的展开面积，AV表示速度增量，Xe，mi。、X。，。。,、y。，。。,、0 e，mi。 和分别表示航天器编队构型的几何中屯、Xe、y。和旋转角0的最小值和最大值，Xi和 yi分别表示局部坐标系下第i个航天器的位置，X 和y是第i个航天器 的位置最小值和最大值，
i声j，dy表示第i和j颗航天器 之间的距离，和d分别表示第i和j颗航天器之间距离的最小值和最大值； 通过公式（4)W编队航天器的展开面积最大作为优化目标，得到展开面积最大时，航 天器编队的形状； 在得到的所有满足展开面积最大的结果中，W燃料消耗最少作为优化目标，形成基于 展开面积最大和燃料消耗最小的多目标航天器编队优化问题。
6. 根据权利要求1所述的基于自适应代理模型的平动点航天器编队重构方法，其特征 在于，步骤301中获得初始试验点的方法包括；均匀实验、正交试验或者超拉了实验。
7. 根据权利要求1所述的基于自适应代理模型的平动点航天器编队重构方法，其特征 在于，步骤301中获得代理模型的方法包括：径向基函数或者kriging模型。
8. 根据权利要求1所述的基于自适应代理模型的平动点航天器编队重构方法，其特征 在于，步骤302中获得收敛解的条件为；最大相对误差小于相对误差阔值或者最大广义绝 对误差小于广义绝对误差阔值时，收敛； 其中，相对误差表示为： RE=I(x"i-xi)/x"i|X100% 做 广义绝对误差表示为： GAE=I(X…-xO/RlXlOO% 巧） 公式巧）、巧）中，xi表示第i次迭代得到的最优值，X"1是第i+1次迭代得到的最优值，R表示变量的取值范围，RE表示相对误差，GAE表示广义绝对误差，MRE表示最大相对误差， MGAE表示最大广义绝对误差。
【专利摘要】本发明涉及航天器编队重构技术领域，提供一种基于自适应代理模型的平动点航天器编队重构方法，所述方法包括：步骤100，建立日地系统平动点附近航天器编队受控动力学方程；步骤200，根据航天器编队重构的任务需求，选择优化目标，得到航天器编队重构的优化问题；步骤300，建立航天器编队重构的自适应代理模型，并利用自适应代理模型得到航天器编队的最优重构轨迹；步骤400，缩小自适应代理模型中变量的取值范围，依次重复步骤300，并验证自适应代理模型的有效性。本发明能够在计算效率较高的前提下得到与真实最优解非常接近的编队重构结果。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104794281
【申请号】CN201510191349
【发明人】彭海军, 王伟
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月22日