一種基于自適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及航天器編隊重構技術領域，尤其涉及一種基于自適應代理模型的平動 點航天器編隊重構方法。
【背景技術】
[0002] 航天器編隊是指多個航天器聯合組成一個虛擬大型航天器，用以完成單個航天器 難以完成的任務，在航天器編隊任務發生變化或者遇到突發情況時，需要通過編隊構型的 重構來保證其任務的完成。當目標編隊構型已知，只需要根據最優控制理論求解出航天器 編隊重構的最優軌跡。目前大部分文獻和科研工作都屬于已知目標構型的情況。但是，在 許多突發情況下航天器最終構型需要根據編隊的任務和實際情況確定，這時候編隊重構問 題就會變成復雜的優化問題。在執行深空探測任務的航天器編隊中，探測分辨率和工作壽 命最為重要，因此在編隊重構時需要保證較大的探測范圍就必須使編隊構成的展開面積最 大；若需要保證盡可能長的工作壽命，就必須保證重構過程中能量消耗盡可能少。傳統的基 于梯度的參數優化方法求解速度快，但是缺點是只能得到局部最優解。而智能類參數優化 算法，比如遺傳算法或者蟻群算法等，具有很強搜索全局最優解能力，但智能算法的缺點是 計算量大、計算效率低下。由于航天器編隊重構之后仍然會執行較長時間的工作任務，這時 如果利用傳統的梯度類算法，會對編隊之后任務執行產生持續性的影響，所以梯度算法并 不適用。如果采用智能算法，由于計算效率十分低下，在計算過程中航天器編隊只能保持原 有的構型，使得這期間內就無法執行正常工作任務，所以智能算法對于編隊重構問題也不 是非常適合。
【發明內容】
[0003] 本發明主要解決日地系統中平動點附近航天器編隊重構過程中，現有技術獲得最 優重構構型及最優重構軌跡的方法不能解決計算效率與計算精度之間的矛盾的問題，提出 一種基于自適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法，能夠在計算效率較高的前提下得 到與真實最優解非常接近的編隊重構結果。
[0004] 本發明提供了一種基于自適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法，所述基于 自適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法包括以下步驟：
[0005] 步驟100,建立日地系統平動點附近航天器編隊受控動力學方程；
[0006] 步驟200,根據航天器編隊重構的任務需求，選擇優化目標，得到航天器編隊重構 的優化問題；
[0007] 步驟300，建立航天器編隊重構的自適應代理模型，并利用自適應代理模型得到航 天器編隊的最優重構軌跡，包括以下子步驟：
[0008] 步驟301，對初始試驗點進行超曲面的擬合得到代理模型，并獲得代理模型的全局 最優解；
[0009] 步驟302,在代理模型的最優解附近增加試驗點，判斷前后兩個代理模型得到的最 優解是否一致，否則繼續增加試驗點并更新代理模型，直至最終獲得收斂解；
[0010] 步驟303,利用獲得的收斂解，得到航天器編隊的最優重構構型，進而獲得航天器 編隊的最優重構軌跡。
[0011] 進一步的，在步驟300之后，還包括：
[0012] 步驟400,縮小自適應代理模型中變量的取值范圍，依次重復步驟300,并驗證自 適應代理模型的有效性。
[0013] 進一步的，所述建立日地系統平動點附近航天器編隊受控動力學方程，包括：
[0014] 基于圓形限制性三體模型，將局部坐標系原點選擇在日地系統第二平動點L2上， 局部坐標系的X軸從太陽指向地球，y軸垂直于X軸，并且在日地旋轉面內，z軸根據右手法 則確定，得到如下航天器受控動力學方程：
【主權項】
1. 一種基于自適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法，其特征在于，所述基于自 適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法包括W下步驟： 步驟100,建立日地系統平動點附近航天器編隊受控動力學方程； 步驟200,根據航天器編隊重構的任務需求，選擇優化目標，得到航天器編隊重構的優 化問題； 步驟300，建立航天器編隊重構的自適應代理模型，并利用自適應代理模型得到航天器 編隊的最優重構軌跡，包括W下子步驟： 步驟301，對初始試驗點進行超曲面的擬合得到代理模型，并獲得代理模型的全局最優 解； 步驟302,在代理模型的最優解附近增加試驗點，判斷前后兩個代理模型得到的最優解 是否一致，否則繼續增加試驗點并更新代理模型，直至最終獲得收斂解； 步驟303,利用獲得的收斂解，得到航天器編隊的最優重構構型，進而獲得航天器編隊 的最優重構軌跡。
2. 根據權利要求1所述的基于自適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法，其特征 在于，在步驟300之后，還包括： 步驟400,縮小自適應代理模型中變量的取值范圍，依次重復步驟300,并驗證自適應 代理模型的有效性。
3. 根據權利要求1所述的基于自適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法，其特征 在于，所述建立日地系統平動點附近航天器編隊受控動力學方程，包括： 基于圓形限制性S體模型，將局部坐標系原點選擇在日地系統第二平動點L2上，局部 坐標系的X軸從太陽指向地球，y軸垂直于X軸，并且在日地旋轉面內，Z軸根據右手法則確 定，得到如下航天器受控動力學方程：
其中，i= 1，2,…，n,n是編隊航天器的數目，y表示地球質量與地球和太陽質量之和 的比值，
丫表示地 球到第二平動點L2的距離，<、W'l和表示第i個航天器的控制輸入變量，上標i表示 第i個航天器，i和X分別表示坐標X對時間的一階導數和二階導數，將航天器的推力作為 控制輸入變量。
4. 根據權利要求1所述的基于自適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法，其特征 在于，步驟200中，將編隊航天器的展開面積和燃料消耗作為優化目標，得到航天器編隊重 構的多目標優化問題。
5. 根據權利要求4所述的基于自適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法，其特征 在于，所述將編隊航天器的展開面積和燃料消耗作為優化目標，得到航天器編隊重構的多 目標優化問題，包括： 通過W下公式對航天器編隊重構進行優化：
其中，Xt、y。和0分別表示整個航天器編隊構型的幾何形屯、和相對于局部坐標X軸的 旋轉角，S表示航天器編隊的展開面積，AV表示速度增量，Xe，mi。、X。，。。,、y。，。。,、0 e，mi。 和分別表示航天器編隊構型的幾何中屯、Xe、y。和旋轉角0的最小值和最大值，Xi和 yi分別表示局部坐標系下第i個航天器的位置，X 和y是第i個航天器 的位置最小值和最大值，
i聲j，dy表示第i和j顆航天器 之間的距離，和d分別表示第i和j顆航天器之間距離的最小值和最大值； 通過公式（4)W編隊航天器的展開面積最大作為優化目標，得到展開面積最大時，航 天器編隊的形狀； 在得到的所有滿足展開面積最大的結果中，W燃料消耗最少作為優化目標，形成基于 展開面積最大和燃料消耗最小的多目標航天器編隊優化問題。
6. 根據權利要求1所述的基于自適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法，其特征 在于，步驟301中獲得初始試驗點的方法包括；均勻實驗、正交試驗或者超拉了實驗。
7. 根據權利要求1所述的基于自適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法，其特征 在于，步驟301中獲得代理模型的方法包括：徑向基函數或者kriging模型。
8. 根據權利要求1所述的基于自適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法，其特征 在于，步驟302中獲得收斂解的條件為；最大相對誤差小于相對誤差闊值或者最大廣義絕 對誤差小于廣義絕對誤差闊值時，收斂； 其中，相對誤差表示為： RE=I(x"i-xi)/x"i|X100% 做 廣義絕對誤差表示為： GAE=I(X…-xO/RlXlOO% 巧） 公式巧）、巧）中，xi表示第i次迭代得到的最優值，X"1是第i+1次迭代得到的最優值，R表示變量的取值范圍，RE表示相對誤差，GAE表示廣義絕對誤差，MRE表示最大相對誤差， MGAE表示最大廣義絕對誤差。
【專利摘要】本發明涉及航天器編隊重構技術領域，提供一種基于自適應代理模型的平動點航天器編隊重構方法，所述方法包括：步驟100，建立日地系統平動點附近航天器編隊受控動力學方程；步驟200，根據航天器編隊重構的任務需求，選擇優化目標，得到航天器編隊重構的優化問題；步驟300，建立航天器編隊重構的自適應代理模型，并利用自適應代理模型得到航天器編隊的最優重構軌跡；步驟400，縮小自適應代理模型中變量的取值范圍，依次重復步驟300，并驗證自適應代理模型的有效性。本發明能夠在計算效率較高的前提下得到與真實最優解非常接近的編隊重構結果。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104794281
【申請號】CN201510191349
【發明人】彭海軍, 王偉
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年4月22日