1.本发明涉及卫星编队控制技术领域，尤其涉及一种卫星编队重构控制方法及系统。
背景技术：
2.相比于传统的单一大卫星，小卫星编队不仅能满足任务需求，而且具有诸多优势，如体积小，成本低，可靠性高，灵活性强。为了延长编队卫星的在轨寿命，通常以编队构形控制所需的总燃料消耗最少为优化目标，得到基于脉冲的编队构形重构控制优化解，但传统的解析燃料最优解不能满足重构过程中碰撞规避问题，容易在所述小卫星编队重构过程中对所述小卫星造成伤害，进而提高卫星重构的危险性。
技术实现要素：
3.本发明公开了一种卫星编队重构控制方法及系统，以小卫星之间的被动安全距离为优化目标，获得所述小卫星脉冲控制最优解的控制方案，以此控制所述小卫星进行编队重构，在降低所述小卫星燃料消耗时提高小卫星编队重构的安全性。
4.为了实现上述目的，本发明公开了一种卫星编队重构控制方法，包括：
5.根据预设的重构场景参数及燃料消耗公式，获得所述卫星编队重构过程中的脉冲值；
6.通过预设的遗传算法生成所述脉冲值对应的若干个第一脉冲控制策略，并通过所述遗传算法中预设的目标函数及优化函数对所述若干个第一脉冲控制策略进行过滤，生成若干个第二脉冲控制策略；
7.通过预设的轨道递推模型根据所述若干个第二脉冲控制策略进行轨道模拟，获得所述若干个第二脉冲控制策略分别对应的被动安全距离；
8.将所述若干个第二脉冲控制策略分别对应的被动安全距离分别与预设的距离阈值进行比较，获得大于所述距离阈值的被动安全距离对应的第三脉冲控制策略；
9.根据所述第三脉冲控制策略控制所述卫星编队进行编队重构。
10.本发明公开了一种卫星编队重构控制方法，在获取编队重构后的场景参数后，利用预设的燃料消耗公式获得所述待编队的卫星编队在燃料消耗最小的情况下进行编队重构需要的脉冲值，以此降低卫星编队重构时燃料的消耗，接着在获得所述脉冲值后，将所述脉冲值输入到预设的策略模型中，利用所述策略模型获得所述脉冲值对应的脉冲控制策略，接着将所述脉冲控制策略输入到预设的轨道递推模型中，输出所述脉冲控制策略对应的卫星的轨道距离，并将所述轨道距离与预设的距离阈值进行比较，以使所述卫星之间的距离符合被动安全距离要求，避免所述卫星在编队重构时，彼此发生碰撞，提高卫星编队重构的安全性，当所述轨道距离大于或等于所述距离阈值时，则利用所述脉冲控制策略控制所述待编队重构的卫星实现编队重构。
11.作为优选例子，在所述根据预设的重构场景参数及燃料消耗公式，获得所述卫星
编队重构过程中的脉冲值，具体包括：
12.通过预设的平面内多脉冲轨道转移燃料最优条件公式对预设的重构场景参数进行处理，获得所述若干个卫星中每一个卫星完成编队重构的脉冲值；所述重构场景参数包括主星绝对轨道要素及重构前后从星相对轨道要素。
13.本发明利用基于预设的卫星编队重构后的场景参数及预设的燃料最优条件公式计算获得所述卫星在满足燃油消耗最优解的前提下，完成所述编队重构所需要的脉冲值，以使保证所述卫星编队重构时燃料消耗最低。
14.作为优选例子，在所述通过预设的遗传算法生成所述脉冲值对应的若干个第一脉冲控制策略，并通过所述遗传算法中预设的目标函数及优化函数对所述若干个第一脉冲控制策略进行过滤，具体包括：
15.根据所述脉冲值，通过预设的遗传算法对所述脉冲值进行处理，生成若干个第一脉冲控制策略；所述脉冲控制策略包括脉冲施加的次数、单次脉冲施加值及脉冲施加时间；
16.通过预设在所述遗传算法中的目标函数计算所述若干个第一脉冲控制策略中每一个脉冲控制策略对应的被动安全距离；
17.根据所述每一个脉冲控制策略对应的被动安全距离，通过预设在所述的遗传算法中的优化函数对所述若干个第一脉冲控制策略进行过滤，生成若干个第二脉冲控制策略。
18.本发明公开了利用优化后的遗传算法根据所述卫星的脉冲值随机生成若干个脉冲控制策略，接着利用预设在所述优化后的遗传算法中的目标函数计算获得根据所述若干个脉冲控制策略控制后卫星编队之间的距离，接着所述遗传算法利用预设的约束条件对生成的若干个脉冲控制策略进行不断优化即过滤，生成若干个第二脉冲控制策略，通过所述目标函数及所述约束函数，使得所述优化后的遗传算法在保证所述被动安全距离最大为目标下，生成若干个第二脉冲控制策略。
19.作为优选例子，在所述通过预设的轨道递推模型获得所述若干个卫星中彼此之间的轨道距离，具体包括：
20.通过预设在所述轨道递推模型中的轨道要素计算方程分别对所述若干个第二脉冲控制策略进行轨道模拟，分别获得所述第二脉冲控制策略对应的轨道要素；
21.根据所述轨道要素，通过预设在所述轨道递推模型中的被动安全距离计算公式，获得所述轨道要素对应的被动安全距离。
22.本发明在获得所述脉冲控制策略后，利用预设的轨道递推模型中的轨道要素计算方程获得所述卫星在施加所述脉冲控制策略后进行编队重构后的轨道要素，接着根据所述轨道要素生成被动安全距离，以此根据所述被动安全距离判断所述模型是否满足被动安全要求，提高编队重构的安全性。
23.第二方面，本发明公开了一种卫星编队重构控制系统，包括脉冲模块、策略模块、模拟模块及控制模块；
24.所述脉冲模块用于根据预设的重构场景参数及燃料消耗公式，获得所述卫星编队重构过程中的脉冲值；
25.所述策略模块用于通过预设的遗传算法生成所述脉冲值对应的若干个第一脉冲控制策略，并通过所述遗传算法中预设的目标函数及优化函数对所述若干个第一脉冲控制策略进行过滤，生成若干个第二脉冲控制策略；
26.所述模拟模块用于通过预设的轨道递推模型根据所述若干个第二脉冲控制策略进行轨道模拟，获得所述若干个第二脉冲控制策略分别对应的被动安全距离；
27.所述控制模块用于将所述若干个第二脉冲控制策略分别对应的被动安全距离分别与预设的距离阈值进行比较，获得大于所述距离阈值的被动安全距离对应的第三脉冲控制策，并根据所述第三脉冲控制策略控制所述卫星编队进行编队重构。
28.本发明公开了一种卫星编队重构控制方法，在获取编队重构后的场景参数后，利用预设的燃料消耗公式获得所述待编队的卫星编队在燃料消耗最小的情况下进行编队重构需要的脉冲值，以此降低卫星编队重构时燃料的消耗，接着在获得所述脉冲值后，将所述脉冲值输入到预设的策略模型中，利用所述策略模型获得所述脉冲值对应的脉冲控制策略，接着将所述脉冲控制策略输入到预设的轨道递推模型中，输出所述脉冲控制策略对应的卫星的轨道距离，并将所述轨道距离与预设的距离阈值进行比较，以使所述卫星之间的距离符合被动安全距离要求，避免所述卫星在编队重构时，彼此发生碰撞，提高卫星编队重构的安全性，当所述轨道距离大于或等于所述距离阈值时，则利用所述脉冲控制策略控制所述待编队重构的卫星实现编队重构。
29.作为优选例子，所述策略模块包括第一策略单元及第二策略单元；
30.所述第一策略单元用于根据所述脉冲值，通过预设的遗传算法对所述脉冲值进行处理，生成若干个第一脉冲控制策略；所述脉冲控制策略包括脉冲施加的次数、单次脉冲施加值及脉冲施加时间；
31.所述第二策略单元用于通过预设在所述遗传算法中的目标函数计算所述若干个第一脉冲控制策略中每一个脉冲控制策略对应的被动安全距离；根据所述每一个脉冲控制策略对应的被动安全距离，通过预设在所述的遗传算法中的优化函数对所述若干个第一脉冲控制策略进行过滤，生成若干个第二脉冲控制策略。
32.本发明公开了利用优化后的遗传算法根据所述卫星的脉冲值随机生成若干个脉冲控制策略，接着利用预设在所述优化后的遗传算法中的目标函数计算获得根据所述若干个脉冲控制策略控制后卫星编队之间的距离，接着所述遗传算法利用预设的约束条件对生成的若干个脉冲控制策略进行不断优化即过滤，生成若干个第二脉冲控制策略，通过所述目标函数及所述约束函数，使得所述优化后的遗传算法在保证所述被动安全距离最大为目标下，生成若干个第二脉冲控制策略。
33.作为优选例子，所述模拟模块包括轨道单元及距离单元；
34.所述轨道单元用于通过预设在所述轨道递推模型中的轨道要素计算方程分别对所述若干个第二脉冲控制策略进行轨道模拟，分别获得所述第二脉冲控制策略对应的轨道要素；
35.所述距离单元用于根据所述轨道要素，通过预设在所述轨道递推模型中的被动安全距离计算公式，获得所述轨道要素对应的被动安全距离。
36.本发明在获得所述脉冲控制策略后，利用预设的轨道递推模型中的轨道要素计算方程获得所述卫星在施加所述脉冲控制策略后进行编队重构后的轨道要素，接着根据所述轨道要素生成被动安全距离，以此根据所述被动安全距离判断所述模型是否满足被动安全要求，提高编队重构的安全性。
37.作为优选例子，所述控制模块包括比较单元及控制单元；
38.所述比较单元用于将所述若干个第二脉冲控制策略分别对应的被动安全距离分别与预设的距离阈值进行比较，获得大于所述距离阈值的被动安全距离对应的第三脉冲控制策略；
39.所述控制单元用于根据所述第三脉冲控制策略控制所述卫星编队进行编队重构。
40.本发明比较所述轨道递推模型输出的被动安全距离，将其与预设的距离阈值进行比较，以使判断所述脉冲控制策略是否满足被动安全参数要求，提高编队重构的安全性。
41.第三方面，本发明公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如第一方面所述的一种卫星编队重构控制方法。
42.第四方面，本发明公开了一种电子设备，包括：至少一个处理器；存储装置，配置为存储至少一个程序，当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器实现如第一方面所述的一种卫星编队重构控制方法。
附图说明
43.图1：为本发明实施例提供的一种卫星编队重构控制方法的流程示意图；
44.图2：为本发明实施例提供的一种卫星编队重构控制系统的结构示意图。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.实施例
47.本发明实施例提供了一种卫星编队重构控制方法，该方法的具体实施流程请参照图1，主要包括步骤101至步骤104，所述步骤为：
48.步骤101：根据预设的重构场景参数及燃料消耗公式，获得所述卫星编队重构过程中的脉冲值。
49.在本实施例中，该步骤主要包括：通过预设的平面内多脉冲轨道转移燃料最优条件公式对预设的重构场景参数进行处理，获得所述若干个卫星中每一个卫星完成编队重构的脉冲值；所述重构场景参数包括主星绝对轨道要素及重构前后从星相对轨道要素。
50.在本实施例中，该步骤具体为：基于预设定重构场景参数即主星绝对轨道要素和重构前后从星相对轨道要素，带入平面内多脉冲轨道转移燃料最优条件公式：重构前后从星相对轨道要素，带入平面内多脉冲轨道转移燃料最优条件公式：即可计算得到完成轨道重构所需的最小总脉冲值δv
rt
即单脉冲最大值。
51.步骤102：通过预设的遗传算法生成所述脉冲值对应的若干个第一脉冲控制策略，并通过所述遗传算法中预设的目标函数及优化函数对所述若干个第一脉冲控制策略进行过滤，生成若干个第二脉冲控制策略。
52.在本实施例中，该步骤主要包括：根据所述脉冲值，通过预设的遗传算法对所述脉冲值进行处理，生成若干个第一脉冲控制策略；所述脉冲控制策略包括脉冲施加的次数、单
次脉冲施加值及脉冲施加时间；通过预设在所述遗传算法中的目标函数计算所述若干个第一脉冲控制策略中每一个脉冲控制策略对应的被动安全距离；根据所述每一个脉冲控制策略对应的被动安全距离，通过预设在所述的遗传算法中的优化函数对所述若干个第一脉冲控制策略进行过滤，生成若干个第二脉冲控制策略。
53.在本实施例中，该步骤具体包括：根据所述最小总脉冲值δv
rt
，通过预设的遗传算法随机生成脉冲施加次数，即设置所述脉冲施加次数m为任意值，则施加m次脉冲对应的脉冲策略为δv
rt
＝{(δv
rt
)j；uj}，其中j∈(1,m)，uj对应脉冲施加的时间。当施加最后一次脉冲(δv
rt
)m后，相对轨道要素数值接近理想最终状态(s
rt
)f时，说明该构形重构脉冲控制策略是有效的，则此时该策略的燃料消耗指标可以根据公式(1)进行计算：
[0054][0055]
接着将卫星编队构形重构时间视为常量，关注被动安全距离的最大化，通过优化算法求得所假设数目的脉冲的方向和大小，此时所述目标函数为：
[0056][0057]
其中rj为施加的每一次脉冲对应的卫星编队之间的距离,
[0058][0059]
此时的被动安全距离为多次脉冲对应距离的最小值，利用预设的约束函数使得多次脉冲对应距离的最小值最大化，所述约束函数如公式(3)所示。
[0060][0061]
先假设平面内脉冲数量为n，则约束条件公式(3)展开得：
[0062]
2(δv
1t
δv
2t
…
δv
nt
)/n＝|δa
0-δaf|＝0 (4)
[0063]-3(δt2
…
δtn t)δv
1t
/a-3(δt3
…
δtn t)δv
2t
/a
[0064]
‑…‑
3tδv
nt
/a＝du＝0 (5)
[0065]
2(|δv
1t
| |δv
2t
|
…
|δv
nt
|)/(na)＝|δe
f-δe0| (6)
[0066]
根据上述目标函数及约束函数获得若干个脉冲控制策略。
[0067]
步骤103：通过预设的轨道递推模型根据所述若干个第二脉冲控制策略进行轨道模拟，获得所述若干个第二脉冲控制策略分别对应的被动安全距离。
[0068]
在本实施例中，该步骤主要包括：通过预设在所述轨道递推模型中的轨道要素计算方程分别对所述若干个第二脉冲控制策略进行轨道模拟，分别获得所述第二脉冲控制策略对应的轨道要素；根据所述轨道要素，通过预设在所述轨道递推模型中的被动安全距离计算公式，获得所述轨道要素对应的被动安全距离。
[0069]
在本实施例中，该步骤具体为：在本实施例中，利用所述轨道递推模型获得若干个第二脉冲控制策略进行轨道模拟后的轨道要素，在本实施例中，所述轨道递推模型由e/i向量描述的编队构形控制机理、平面内的相对运动在径向和沿轨方向的相对距离计算公式及平面内的相对轨道转移计算公式组成，在本实施例中，从e/i向量描述的编队构形控制机理，所述编队构形控制机理参照公式(7)可知：
[0070][0071]
其中δe为相对偏心率矢量,φ为相对偏心率矢量的相位角,δe为相对偏心率矢量系数，且同时我们可以得到sinφ＝δey/δe,cosφ＝δe
x
/δe。
[0072]
平面内的相对运动在径向和沿轨方向的相对距离可以通过轨道要素描述成：
[0073]
δrr＝δa-aδecos(u-φ) (8)
[0074][0075]
其中δrr为相对运动在径向投影，δr
t
为相对运动在沿轨方向投影，a为主卫星半长轴，δa为副卫星相对主卫星的相对半长轴差值，u为纬度幅角，u0为纬度幅角的初值，δl＝δu δωcos i表示相对经度，sinφ＝δey/δe,cosφ＝δe
x
/δe。
[0076]
由于保持卫星编队稳定意味着相对半长轴差值为零，将δa＝0代入公式(2)和(3)，得到平面内的运动是以(0,aδl)中心，偏心率的椭圆。将平面内相对运动的参数向量定义为：s
rt
＝(aδe,aδl,δa,φ)，则平面内相对轨道转移问题就可以表示为：将相对轨道从初始状态(s
rt
)0＝(aδe0,aδl0,δa0,φ0)，转移到最终状态(s
rt
)f＝(aδef,aδlf,δaf,φf)。其中φf可以是固定的，也可以是自由的，这对应了平面内相对轨道转移问题的两种不同情形。平面内的相对轨道转移问题可以通过基于相对轨道要素的简化高斯方程(10)求解：
[0077][0078]
其中dδa，dδe
x
，dδey和dδu是施加径向和切向脉冲δv
rt
＝[δv
r δv
t
]
t
后的轨道要素差值，由此，基于所述轨道递推模型，将所述遗传算法获得的脉冲控制策略输入到所述模型中，可获得卫星编队重构后的轨道要素。
[0079]
在获得所述轨道要素后，利用预设在所述轨道递推模型中的被动安全距离计算公式，获得所述轨道要素对应的被动安全距离，所述被动安全距离计算公式如公式：
[0080][0081]
将遗传算法搜索得到的卫星编队重构脉冲策略输入轨道递推程序中进行参数验证，输出实际轨道以及被动安全参数等结果。与预定重构后从星相对轨道要素以及预定被动安全参数要求进行对比分析，确认所获得的卫星编队重构脉冲策略δv
rt
＝{(δv
rt
)j；uj}优化有效性，能够满足重构要求以及被动安全性要求。
[0082]
步骤104：将所述若干个第二脉冲控制策略分别对应的被动安全距离分别与预设的距离阈值进行比较，获得大于所述距离阈值的被动安全距离对应的第三脉冲控制策略，并根据所述第三脉冲控制策略控制所述卫星编队进行编队重构。
[0083]
另一方面，本发明公开了一种卫星编队重构控制系统，包括脉冲模块201、策略模块202、模拟模块203及控制模块204。
[0084]
所述脉冲模块201用于根据预设的重构场景参数及燃料消耗公式，获得所述卫星
编队重构过程中的脉冲值。
[0085]
所述策略模块202用于通过预设的遗传算法生成所述脉冲值对应的若干个第一脉冲控制策略，并通过所述遗传算法中预设的目标函数及优化函数对所述若干个第一脉冲控制策略进行过滤，生成若干个第二脉冲控制策略。
[0086]
所述模拟模块203用于通过预设的轨道递推模型根据所述若干个第二脉冲控制策略进行轨道模拟，获得所述若干个第二脉冲控制策略分别对应的被动安全距离。
[0087]
所述控制模块204用于将所述若干个第二脉冲控制策略分别对应的被动安全距离分别与预设的距离阈值进行比较，获得大于所述距离阈值的被动安全距离对应的第三脉冲控制策，并根据所述第三脉冲控制策略控制所述卫星编队进行编队重构。
[0088]
在本实施例中，所述策略模块202包括第一策略单元及第二策略单元。
[0089]
所述第一策略单元用于根据所述脉冲值，通过预设的遗传算法对所述脉冲值进行处理，生成若干个第一脉冲控制策略；所述脉冲控制策略包括脉冲施加的次数、单次脉冲施加值及脉冲施加时间。
[0090]
所述第二策略单元用于通过预设在所述遗传算法中的目标函数计算所述若干个第一脉冲控制策略中每一个脉冲控制策略对应的被动安全距离；根据所述每一个脉冲控制策略对应的被动安全距离，通过预设在所述的遗传算法中的优化函数对所述若干个第一脉冲控制策略进行过滤，生成若干个第二脉冲控制策略。
[0091]
在本实施例中，所述模拟模块203包括轨道单元及距离单元。
[0092]
所述轨道单元用于通过预设在所述轨道递推模型中的轨道要素计算方程分别对所述若干个第二脉冲控制策略进行轨道模拟，分别获得所述第二脉冲控制策略对应的轨道要素。
[0093]
所述距离单元用于根据所述轨道要素，通过预设在所述轨道递推模型中的被动安全距离计算公式，获得所述轨道要素对应的被动安全距离。
[0094]
在本实施例中，所述控制模块204包括比较单元及控制单元。
[0095]
所述比较单元用于将所述若干个第二脉冲控制策略分别对应的被动安全距离分别与预设的距离阈值进行比较，获得大于所述距离阈值的被动安全距离对应的第三脉冲控制策略。
[0096]
所述控制单元用于根据所述第三脉冲控制策略控制所述卫星编队进行编队重构。
[0097]
除上述方法及系统外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如本实施例所述的一种卫星编队重构控制方法，同时还提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；存储装置，配置为存储至少一个程序，当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器实现如本实施例所述的一种卫星编队重构控制方法。
[0098]
本发明公开的一种卫星编队重构控制方法及系统，在获取编队重构后的场景参数后，利用预设的燃料消耗公式获得所述待编队的卫星编队在燃料消耗最小的情况下进行编队重构需要的脉冲值，以此降低卫星编队重构时燃料的消耗，接着在获得所述脉冲值后，将所述脉冲值输入到预设的策略模型中，利用所述策略模型获得所述脉冲值对应的脉冲控制策略，接着将所述脉冲控制策略输入到预设的轨道递推模型中，输出所述脉冲控制策略对应的卫星的轨道距离，并将所述轨道距离与预设的距离阈值进行比较，以使所述卫星之间
的距离符合被动安全距离要求，避免所述卫星在编队重构时，彼此发生碰撞，提高卫星编队重构的安全性，当所述轨道距离大于或等于所述距离阈值时，则利用所述脉冲控制策略控制所述待编队重构的卫星实现编队重构。
[0099]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。