一种geo卫星群的多对多在轨加注任务规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及空间在轨服务领域，特别设及一种基于多个服务星和多个储油站对多 个地球同步轨道卫星在轨加注的任务规划方法。
【背景技术】
[0002] 卫星在轨加注是指对燃料消耗殆尽处于寿命末期，或燃料提前消耗完毕的卫星提 供燃料补给，从而延长卫星寿命，提高空间任务能力。地球同步轨道（GE0)卫星是一类非常 特殊的卫星，位于该轨道的卫星与地球保持同步，覆盖面积广。世界各航天大国在GE0上部 署了大量卫星，根据卫星数据库信息，1265颗在轨运行的卫星中，其中有465颗GE0卫星。 GE0卫星制造成本和发射成本都较高，且轨道资源是非常有限。因此，对GE0卫星在轨加注， 延长卫星寿命具有重大的实际意义。
[000引多个GE0卫星的在轨加注问题（MGSRP)，如果采用单个服务星方式，由于服务星携 带燃料的能力是一定的，能够加注的GE0目标数量有限；如果采用多个服务星方式，也存在 类似的问题；如果采用分布式（P2巧加注，要求每个卫星既可被用作服务星也可被用作目 标星，但目前绝大多数卫星都不具备作为服务星的能力。对GE0卫星群的在轨加注方式，W 及相应的任务规划问题，是一个亟需解决的技术难题。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种GE0卫星群的"多对多"在轨加注任 务规划方法。本发明采用多个服务星和多个储油站的方式，完成GE0卫星群的在轨加注任 务。任务规划问题需要解决每个服务星对哪些GE0目标加注W及加注次序；服务星是否回 到储油站进行补给，回到哪个储油站等问题。
[0005] 本发明的任务场景为：GE0目标具有不同的轨道倾角，升交点赤经和相位，且燃料 需求已知。任务开始前，多个服务星和多个储油站部署在GE0上，服务星携带燃料的能力有 限。服务星通过往返于储油站和GE0目标之间，将燃料从储油站运输至各GE0目标，每个服 务星至少为1个目标进行在轨加注。每个GE0目标只被服务一次。任务完成后，服务星机 动至初始轨道。多个GE0卫星的在轨加注问题（MGSR巧的优化目标是服务星轨道机动的燃 料消耗最少。
[0006] 在轨加注任务过程中，服务星有W下五种状态：1、停泊在初始GE0上；2、转移至 GE0目标；3、为GE0目标进行加注；4、转移至储油站；5、从储油站获得补给。储油站有W下 两种状态：1、停泊在初始GE0上；2、为服务星进行加注。MGSRP任务规划需要解决W下问题： 每个服务星为哪些GE0目标加注，W及加注次序；服务星为每一个GE0目标加注完成后判断 是否回到储油站补给，回到哪个储油站；每个服务星的脉冲速度大小，离开储油站时携带的 燃料质量。任务规划问题采用两层优化模型进行优化，上层优化问题采用混合粒子群算法 化PS0)，下层优化问题采用穷举法巧巧。
[0007] 本发明采用的技术方案是：
[000引一种GEO卫星群的"多对多"在轨加注任务规划方法，具体包括w下步骤：
[000引步骤一：输入初始参数：GE0目标的轨道倾角、升交点赤经和燃料需求，每个服务 星的参数，包括结构质量、携带燃料能力、轨道倾角和升交点赤经，储油站的轨道倾角和升 交点赤经，假设服务星和储油站的数量相同，每个服务星和其中一个储油站轨道根数相同。
[0010] 步骤二：确定加注方式：服务星通过轨道机动实现与储油站的交会对接，获得燃 料的补给；与GE0目标交会对接后，为其在轨加注；服务星往返于GE0目标和储油站之间， 运送燃料。轨道机动时，服务星首先调整轨道面，然后进行轨道面内相位的调整，从而实现 与储油站或GE0目标的交会对接。通过施加两次速度脉冲进行调相，调相速度增量与调相 时间称反比。分析表明，当调相时间超过一个月时，调相速度增量与调整轨道面相比可忽略 不计。因此本发明中忽略调相所需的燃料。
[0011] 为形象地说明多个服务星和多个储油站为GE0目标群在轨加注的任务过程，图1 给出了一个例子：1号服务星在1号储油站得到补给后，进行轨道机动，与1号目标交会对 接后进行在轨加注，对8号目标在轨加注完成后回到1号储油站重新得到补给，接着又对3 号、6号目标在轨加注；2号服务星从2号储油站出发后，依次为2号、4号、5号目标在轨加 注，然后回到某个储油站进行补给。
[0012] 步骤Ξ:多个GE0卫星的在轨加注任务规划：
[0013]S3. 1定义优化变量
[0014] 包括Ξ个优化变量，加注次序X、决策变量S和R
[001 引X=[又1，又2,…，xj，S= [Si,S2,…，Sn]，R=bi,。，…，Tm]
[001引其中，η是GEO目标的个数，m是服务星的个数；X由整数组成，XiE{0, 1，2, ...η}且Xi声X.j;S中的元素满足s{0, 1, 2, .. .ρ}，其中ρ是储油站的个数，si=0表示对Xi 号目标加注完成后，继续为下一个目标加注，Si= 1表示对号目标加注完成后，回到1号 储油站补给。R表示每一个服务星加注的目标个数，满足0<r,<n-1，且
[0017]令Xj，Sj表示j号服务星的加注次序和决策变量，有[001引X.j=X(rJ1+1:rji+rj)，S.j=S(r.j1+1:rji+rj)
[0019]其中1·。= 0,1《j《m;
[0020]下面举例对变量进行说明，例如X=[3, 5, 2, 7, 1，4, 6]，S= [0, 0, 1，0, 1，0, 2]，R =化4]表示共有7个GEO目标，2个服务星和2个储油站；有Xi=巧，5, 2]，Si= [0,0, 1]， X2= [7,1,4,6]，Si= [0，！，0, 2]，表示1号服务星从1号储油站出发，依次为3号、5号、2 号目标加注，最后回到1号储油站；2号服务星从2号储油站出发后，依次为7号、1号目标 加注，然后回到1号储油站进行补给，接着为4号、6号目标加注，最后回到2号储油站；
[0021] S2. 2确定目标函数
[0022] 多个GE0卫星的在轨加注的优化指标为
[0023]
[0024] 其中巧冷瑪为第j号服务星第i次从储油站出发时携带的燃料质量，N，是第j号 服务星从储油站出发的次数。
[00巧]在计算Μ化el之前要先得到服务星轨道机动的速度增量，根据下面的方法计算；
[0026] 服务星在调整轨道面时，脉冲速度需同时改变轨道升交点赤经Ω和轨道倾角I; 如果服务星要从一个GE0卫星（Ii，Ωι)机动至另一个卫星（1,，Ω2)，需要的服务星轨道机 动的速度增量（即服务星施加的脉冲速度）为
[0027]
[0028] 其中V是GE0卫星的运行速度，丫通过下式得到；
[0029] cos丫 =sinlisinizcos(Ω1_Ω2)+cosIiC〇sl2
[0030] 轨道机动消耗的燃料质量为
[0031]
[003引其中m。是服务星的初始质量，包括结构质量和燃料质量，I,ρ是发动机比冲，g。是 地球引力加速度；
[0033] 化）根据X,和S,得到第j号服务星每次施加的脉冲速度后，通过下面的算法计算 其出发时携带的总燃料质量Μ化el，，从而
[0034] 1)将Mfuel嚇始化为0 ;
[003引。找出S,中所有元素大于0的位置，用S表示，并将其扩充S= [0,S];
[0036] 3)fori= 1toN
[0037] i)Q=s(i+l)-s(i)，
[0038] U)forj=Qto1
[0039]
[0040]
，否则S不是一个可 行解，令版ue!i= 10 5,结束算法；
[00川其中，N是第j号服务星回到储油站的次数，nwy为服务星结构质量，心知+,表示第j号服务星第i次从储油站出发后，回到储油站所需的速度增量；心公是第j号服务星第i 次从储油站出发，与第q个目标交会所需的速度增量，<心?'。为目标的燃料需求，C为服务星 携带燃料能力，如果W/W// >C，则说明不是一个可行方案。
[0042] S3. 3设计两层优化模型
[0043] 采用两层优化模型，上层优化是对加注次序X和决策变量S的优化，下层优化是对 决策变量R的优化。优化模型如下：
[0044] 上层优化：找到最优的X= [Xi,而，...，xj和S= [Si,S2, .