基于能量最優(yōu)的敏捷遙感衛(wèi)星在軌任務(wù)規(guī)劃.pdf

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1、航空學(xué)報(bào)Jun252017VoI．38No．6AcfaAeronauticaetAstronauticaSfnfcafSSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaaedu．cn基于能量最優(yōu)的敏捷遙感衛(wèi)星在軌任務(wù)規(guī)劃趙琳，王碩，郝勇*，劉源哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，哈爾濱150001摘要：針對(duì)敏捷遙感衛(wèi)星對(duì)多個(gè)離散觀測(cè)點(diǎn)在軌自主任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題，在考慮姿態(tài)運(yùn)動(dòng)方程耦合性的基礎(chǔ)上，將問(wèn)題分解為空間資源調(diào)度問(wèn)題和連續(xù)最優(yōu)控制問(wèn)題，進(jìn)而提出了一種結(jié)合偽譜法和遺傳算法的混合求解算法。該算法針對(duì)基

2、于行商問(wèn)題(TsP)模型建立的空間資源調(diào)度問(wèn)題模型，選用二維編碼結(jié)構(gòu)對(duì)觀測(cè)順序和相對(duì)觀測(cè)時(shí)間進(jìn)行實(shí)數(shù)編碼，并采用遺傳算法求解觀測(cè)序列和觀測(cè)時(shí)間；針對(duì)判斷觀測(cè)時(shí)間可行性時(shí)涉及的時(shí)間最優(yōu)控制問(wèn)題、以及姿態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程中涉及的最小能量消耗問(wèn)題，將其歸結(jié)為連續(xù)最優(yōu)控制問(wèn)題，并基于Gauss偽譜協(xié)態(tài)變量映射定理，采用Gauss偽譜法進(jìn)行求解。通過(guò)與基于單純遺傳算法的規(guī)劃算法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，本文所提出的基于偽譜法和遺傳算法的混合求解策略針對(duì)目標(biāo)問(wèn)題，在典型工況下姿態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程中能量消耗降低60％。關(guān)鍵詞：行商問(wèn)題(TsP)；能量消耗；時(shí)間最優(yōu)；遺傳算法；Gauss

3、偽譜法中圖分類號(hào)：V249．122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：l000—6893(2017)06—32065419相比于傳統(tǒng)的成像衛(wèi)星，敏捷遙感衛(wèi)星具有姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)的能力[1]?；诿艚葸b感衛(wèi)星的敏捷快速機(jī)動(dòng)能力，敏捷遙感衛(wèi)星具有更大的觀測(cè)范圍和更強(qiáng)的觀測(cè)能力。目前成像衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)多是在管控模式下完成的，管控模式是指地面控制系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)需求對(duì)衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行規(guī)劃并向衛(wèi)星發(fā)射控制指令，但是由于信道占用、通信延遲、時(shí)間窗口等限制因素，衛(wèi)星無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)對(duì)動(dòng)態(tài)的觀測(cè)任務(wù)需求做出響應(yīng)，因此，針對(duì)敏捷遙感衛(wèi)星敏捷機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的管控模式不能充分發(fā)揮敏捷遙感

4、衛(wèi)星的觀測(cè)效能。因此為了解決上述問(wèn)題，基于觀測(cè)任務(wù)需求和衛(wèi)星自身資源能力的敏捷遙感衛(wèi)星在軌自主規(guī)劃是十分必要的㈣]。針對(duì)敏捷遙感衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題，Gabrel等[5。63提出了圖論問(wèn)題模型，將任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題表示成一個(gè)加權(quán)有向無(wú)環(huán)圖G，并將G的路徑作為問(wèn)題的解，但是對(duì)于區(qū)域觀測(cè)或立體觀測(cè)等復(fù)雜約束則無(wú)法在該模型中體現(xiàn)；Vasquez和Hao[73提出背包問(wèn)題模型，以簡(jiǎn)單的形式表示任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題的約束，但是該模型不適用于多星任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題；Bensana等口1提出線性整數(shù)規(guī)劃模型，該模型可以描述所有線性約束，但是不能有效處理非線性約束，且其求解效

5、率隨著問(wèn)題規(guī)模的增加而降低；Lemaitre等口]提出約束滿足問(wèn)題模型，能有效地處理線性和非線性約束，增強(qiáng)問(wèn)題描述的完整性，但是該模型的求解效率低；Verfaillie等[1叩提出序貫決策模型，采用決策理論處理問(wèn)題中的不確定因素，但是模型復(fù)雜度隨著問(wèn)題約束的增加而增加；賀仁杰[1婦提出了具有時(shí)間約束的收稿日期：2016—07．28；退修日期：2們6．09—07；錄用日期：2016—11—14；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016—11·2114：39網(wǎng)絡(luò)出版地址：www．cnkinet／kcms／detaif／11．1929．V．20161121．14390

6、10．htmI基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61273081)；黑龍江省博士后科研啟動(dòng)金(LBH．014054)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(HEUCFDl503)*通訊作者．E—mail：haoyong@hrbeu．edu．cn引用楂武l趙琳．王硬，郝勇，等i基f能i最優(yōu)的敏捷遙感l(wèi)星在軌任務(wù)規(guī)翔[J]．航空學(xué)報(bào)。2017，38(6)：320654．zHAoL，wANGs。HAoY，eta

7、．Enefgy-o。t

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13、caslnica．20{7，38(6)1320654．320654．1測(cè)任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行求解中，Lemaitre等‘93采用衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)所消耗的能量最小。黧奎鼉絮羔竺景登罌{耋罌是黧，1敏捷遙感衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題描述求解，但是當(dāng)問(wèn)題規(guī)模較大時(shí)，其求解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；‘一一一?一一?????～Alg。rithm，GA)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解并與優(yōu)先級(jí)調(diào)1·1衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程武m1和Sarkheyliml等采用禁忌搜索算法對(duì)問(wèn)題衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)方程‘z，1為進(jìn)行求解，其中，文獻(xiàn)[15—16]在采用禁忌算法的。而+∥腸一H(1

14、)同時(shí)也考慮了轉(zhuǎn)移時(shí)間約束；wu等口73采用模擬式中：J∈R。×。為衛(wèi)星正定對(duì)稱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣；退火算法將任務(wù)目標(biāo)均假設(shè)為點(diǎn)目標(biāo)，進(jìn)而對(duì)問(wèn)∞一r∞?！?/p>