基于离散粒子群算法的多飞行器在轨服务任务分配

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1、中国空间科学技术Chin—e—seSpaceScienceandTechnology2012年4月第2期基于离散粒子群算法的多飞行器在轨服务任务分配张琪新1’2孙富春2’3许斌2。刘华平2’3(1海军航空工程学院．烟台264001)(2清华大学，北京100084)(3智能技术与系统国家重点实验室，北京100084)摘要为解决多约束务件下飞行器在轨服务任务分配问题，以在轨卫星群为研究对象，提出了一种基于离散粒子群算法的多服务飞行器的目标分配方法，综合分析目标飞行器价值、服务飞行器消耗以及能量时间消耗等3项关键指标因素，建立了在轨服务任务分配问题的数学模型。通过构

2、建粒子与实际问题间的对应关系，设计了新的离散粒子群位置和速度更新公式求解任务分配问题。仿真结果表明：离散粒子群算法具有收敛速度快，寻优能力强等优点，能够有效地解决多约束条件下的服务飞行器协同任务分配问题。关键词离散粒子群算法任务分配在轨服务飞行器D01：10．3780／1．issn．1000—758X．2012．02．011l引言飞行器在轨服务(On—orbitService，00S)足指在空间通过人、机器人或两者协同完成涉及延长各种飞行器寿命、提升执行任务能力的一类空间操作[1’2]。目前，国内外对在轨服务任务分配已开展了相关的研究，但针对服务飞行器的协同任

3、务分配研究较少。文献Ea]对圆轨道上一颗服务飞行器执行多项任务的在轨服务规划问题进行了研究，但没有考虑服务飞行器的服务时间；文献E4-]对同步轨道上一颗服务飞行器执行多项任务的最优服务策略进行了研究，但不能够解决协同多个服务飞行器之间的问题；文献[5]建立了双冲量远程交会的能量时间模型，但仅考虑飞行器能量消耗和时间两项因素，讨论也仅限于单个飞行器；文献E6]采用整数规划方法通过设计决策变量和形式化各种约束，较好地解决了任务指派问题，但是并没有综合考虑飞行器在整个服务过程中自身的损耗；文献[7]以对目标的毁伤最大和自身消耗最小为任务分配的目标函数，但没有考虑执行

4、任务的消耗时间这一重要因素，而完成任务的时问是反映效能的关键指标之一。文献[8]针对分布式协同控制，采用基于投标、竞标等市场机制的合同网方法，协调多个飞行器间的任务，具有通信量少、鲁棒性能好等优点，但各飞行器对自身收益和代价的评价局限于任务的平衡，没有考虑到自身指标。使用线性规划、动态网络流等方法对多任务分配问题进行建模∞_11]，虽然这些模型简单、易于实现，但目标函数过于简单，不能完全描述关键指标。服务飞行器协同任务分配中，各飞行器的控制必须相互协调，采用基于动力学方法建立双脉冲优化制导模型．综合考虑飞行器消耗、提供服务所获收益最大、轨道转移所需能量以及消耗

5、时问关键指标，协同多飞行器进行任务分配。本文针对在轨服务飞行器任务分配问题的特点，设计了新的离散粒子群位置与速度更新公式，提出了一种新的在多约束条件下，基于离散粒子群算法的多服务飞行器目标分配方法。国家自然科学基金(61004002)资助项目收稿I：t期：20ll—0428。收修改稿I：1期：2011—11202012年4月中国空间科学技术2任务分配模型2．1任务场景空问在轨服务飞行器得到指令后，需要从准备轨道转移至靠近目标卫星的服务轨道。其巾，服务飞行器是主动的，而需要服务的目标飞行器是被动的，轨道转移过程可用图1简单描述。服务飞行器运行在低轨道上，在综合考

6、虑自身性能和周围环境等约束条件下，根据任务分配的结果合理地实施Lambert双脉冲轨道转移至目标卫星的高轨道上，在交会初始时刻施加第一次脉冲，在靠近目标卫星施加第二次脉冲，单圈Lambert变轨示意图见图2。在整个在轨服务任务过程中，服务飞行器始终保持在目标卫星的轨道上。服毒轨道．．一⋯．目捧卫星二獬t7凝霍茬蠢÷，o亍器，，，7，，7‘、．．，，。?完成服务任务／。(③j／，’／(准备藉、⋯：爱∥：：：I．，，√、‘～一一’’。服务单芫机动至图2单圈Lamberl变轨示意Fig．2LapLambertmaneuver2．2数学模型(1)决策变量设有U颗在轨部

7、署的服务飞行器，在某刻有T颗具有不同仟务优先级的目标飞行器等待服务，根据该规划问题的特点，决策变量可以定义为f1，第“个服务飞行器分配第t个目标飞行器““10，其他式中“一1．2，⋯，U；t一1，2，⋯，T。服务飞行器目标分配是以整个编队的整体收益最优作为目标的，而目标飞行器价值、服务飞行器消耗以及能量时间消耗是评价效能主要指标[】2‘1“。(2)飞行器消耗最小指标执行任务往往在规定的时间内，选择最容易服务的飞行器，设计相应的轨道，从而达到降低飞行器损耗的目的。设口。为服务飞行器对目标飞行器服务后的消耗，如可能出现的部件失效、软硬件故障以及零部件的磨损。对服务

8、飞行器进行任务分配，使得所有服务飞行器