基于能量最优的敏捷遥感卫星在轨任务规划.pdf

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1、航空学报Jun252017VoI．38No．6AcfaAeronauticaetAstronauticaSfnfcafSSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaaedu．cn基于能量最优的敏捷遥感卫星在轨任务规划赵琳，王硕，郝勇*，刘源哈尔滨工程大学自动化学院，哈尔滨150001摘要：针对敏捷遥感卫星对多个离散观测点在轨自主任务规划问题，在考虑姿态运动方程耦合性的基础上，将问题分解为空间资源调度问题和连续最优控制问题，进而提出了一种结合伪谱法和遗传算法的混合求解算法。该算法针对基

2、于行商问题(TsP)模型建立的空间资源调度问题模型，选用二维编码结构对观测顺序和相对观测时间进行实数编码，并采用遗传算法求解观测序列和观测时间；针对判断观测时间可行性时涉及的时间最优控制问题、以及姿态转移过程中涉及的最小能量消耗问题，将其归结为连续最优控制问题，并基于Gauss伪谱协态变量映射定理，采用Gauss伪谱法进行求解。通过与基于单纯遗传算法的规划算法进行对比试验，本文所提出的基于伪谱法和遗传算法的混合求解策略针对目标问题，在典型工况下姿态转移过程中能量消耗降低60％。关键词：行商问题(TsP)；能量消耗；时间最优；遗传算法；Gauss

3、伪谱法中图分类号：V249．122文献标识码：A文章编号：l000—6893(2017)06—32065419相比于传统的成像卫星，敏捷遥感卫星具有姿态快速机动的能力[1]。基于敏捷遥感卫星的敏捷快速机动能力，敏捷遥感卫星具有更大的观测范围和更强的观测能力。目前成像卫星的运动多是在管控模式下完成的，管控模式是指地面控制系统根据任务需求对卫星的运动状态进行规划并向卫星发射控制指令，但是由于信道占用、通信延迟、时间窗口等限制因素，卫星无法在短时间内对动态的观测任务需求做出响应，因此，针对敏捷遥感卫星敏捷机动的特点，传统的管控模式不能充分发挥敏捷遥感

4、卫星的观测效能。因此为了解决上述问题，基于观测任务需求和卫星自身资源能力的敏捷遥感卫星在轨自主规划是十分必要的㈣]。针对敏捷遥感卫星对地观测任务规划问题，Gabrel等[5。63提出了图论问题模型，将任务规划问题表示成一个加权有向无环图G，并将G的路径作为问题的解，但是对于区域观测或立体观测等复杂约束则无法在该模型中体现；Vasquez和Hao[73提出背包问题模型，以简单的形式表示任务规划问题的约束，但是该模型不适用于多星任务规划问题；Bensana等口1提出线性整数规划模型，该模型可以描述所有线性约束，但是不能有效处理非线性约束，且其求解效

5、率随着问题规模的增加而降低；Lemaitre等口]提出约束满足问题模型，能有效地处理线性和非线性约束，增强问题描述的完整性，但是该模型的求解效率低；Verfaillie等[1叩提出序贯决策模型，采用决策理论处理问题中的不确定因素，但是模型复杂度随着问题约束的增加而增加；贺仁杰[1妇提出了具有时间约束的收稿日期：2016—07．28；退修日期：2们6．09—07；录用日期：2016—11—14；网络出版时间：2016—11·2114：39网络出版地址：www．cnkinet／kcms／detaif／11．1929．V．20161121．14390

6、10．htmI基金项目：国家自然科学基金(61273081)；黑龙江省博士后科研启动金(LBH．014054)；中央高校基本科研业务费专项资金(HEUCFDl503)*通讯作者．E—mail：haoyong@hrbeu．edu．cn引用楂武l赵琳．王硬，郝勇，等i基f能i最优的敏捷遥感l星在轨任务规翔[J]．航空学报。2017，38(6)：320654．zHAoL，wANGs。HAoY，eta

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13、caslnica．20{7，38(6)1320654．320654．1测任务规划问题进行求解中，Lemaitre等‘93采用卫星姿态机动所消耗的能量最小。黧奎鼍絮羔竺景登罂{耋罂是黧，1敏捷遥感卫星任务规划问题描述求解，但是当问题规模较大时，其求解时间过长；‘一一一⋯一一⋯⋯⋯⋯⋯～Alg。rithm，GA)对问题进行求解并与优先级调1·1卫星姿态机动的运动方程武m1和Sarkheyliml等采用禁忌搜索算法对问题卫星姿态动力学方程‘z，1为进行求解，其中，文献[15—16]在采用禁忌算法的。而+∥肠一H(1

14、)同时也考虑了转移时间约束；wu等口73采用模拟式中：J∈R。×。为卫星正定对称的转动惯量矩阵；退火算法将任务目标均假设为点目标，进而对问∞一r∞。∞