本發(fā)明涉及航天器總體優(yōu)化技術(shù)，具體地，涉及一種基于動態(tài)規(guī)劃思想的深空探測器分階段MDO方法。

背景技術(shù)：

與地球衛(wèi)星相比，深空探測器飛行軌跡復(fù)雜，具有一定的階段性。低軌衛(wèi)星通過運載發(fā)射直接進入任務(wù)軌道，高軌衛(wèi)星在運載發(fā)射后，通過軌道調(diào)整進入任務(wù)軌道，而深空探測器在運載發(fā)射后，先后經(jīng)歷地球逃逸、中途修正、捕獲制動、軌道調(diào)整，隨后進入科學任務(wù)軌道，與地球衛(wèi)星相比，深空探測器飛行階段復(fù)雜，需綜合考慮各飛行階段及各種工程約束。

相對于近地空間飛行器MDO問題而言，深空探測器MDO問題具有一定的特殊性。深空探測器多學科設(shè)計優(yōu)化問題必然會涉及到軌道學科，與近地空間飛行器相比，深空探測器的飛行軌跡相對比較復(fù)雜，而軌道參數(shù)與深空探測器設(shè)計呈現(xiàn)較強的耦合特性。與此同時，深空探測器的任務(wù)需求體現(xiàn)于探測器軌道設(shè)計，整個設(shè)計優(yōu)化過程依賴于軌道優(yōu)化結(jié)果。因此，對于深空探測器總體優(yōu)化設(shè)計而言，必須考慮探測器飛行的階段性，顯然，這是一個動態(tài)的優(yōu)化過程。

深空探測器的飛行過程可劃分為不同的階段，從一個階段過渡到下一個階段需要付出相應(yīng)的代價，消耗一定的燃料或花費相應(yīng)的時間，與動態(tài)規(guī)劃理論有相通相似之處，探索將動態(tài)規(guī)劃思想應(yīng)用于深空探測器多階段設(shè)計優(yōu)化過程中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種深空探測器分階段MDO方法。

根據(jù)本發(fā)明提供的深空探測器分階段MDO方法，包括如下步驟：

步驟1：對深空探測器的總體任務(wù)進行分析，將深空探測器的飛行過程劃分為多個階段；

步驟2：針對深空探測器的飛行過程中的每個階段分別設(shè)置相應(yīng)的優(yōu)化目標、變量參數(shù)以及約束條件；

步驟3：根據(jù)每個階段的優(yōu)化目標以及相應(yīng)的約束條件，確定不同階段的變量參數(shù)之間的耦合關(guān)系，建立包含所有階段的優(yōu)化模型；

步驟4：采用動態(tài)規(guī)劃方法，即基于貝爾曼Bellman最優(yōu)性原理獲得步驟3中優(yōu)化模型的最優(yōu)解，實現(xiàn)對深空探測器的全程優(yōu)化控制。

優(yōu)選地，所述步驟1中深空探測器的飛行過程被劃分的多個階段包括：地球逃逸階段、日心巡航段、行星捕獲階段、軌道調(diào)制階段以及科學任務(wù)階段。

優(yōu)選地，所述步驟2中深空探測器飛行過程的多個階段的相應(yīng)優(yōu)化目標、變量參數(shù)以及約束條件如下：

地球逃逸階段：根據(jù)選定的發(fā)射場位置和地球逃逸速度矢量設(shè)計深空探測器的發(fā)射時刻、逃逸軌道傾角、升交點赤經(jīng)、近地點幅角；其中，約束條件包括：深空探測器的發(fā)射場位置、運載能力及入軌精度；

日心巡航階段通過選擇合適的發(fā)射窗口、到達窗口，以實現(xiàn)星際飛行過程中燃料最優(yōu)；

行星捕獲階段的優(yōu)化目標為獲得最小的捕獲速度增量；約束條件包括：捕獲過程對地通信無遮擋、捕獲過程中無火影并且滿足中分辨率相機的成像條件；

軌道調(diào)整階段的變量參數(shù)包括：軌道調(diào)整策略、調(diào)整次數(shù)，約束條件包括：每次軌道調(diào)整所需時間、燃料；

科學任務(wù)階段：優(yōu)化目標即為對應(yīng)的科學任務(wù)，約束條件包括：載荷、光照條件、測控可見性。

優(yōu)選地，所述步驟4包括：以深空探測器的最后階段為起始、以最初階段為終止，進行逆向遞推；假設(shè)深空探測器經(jīng)歷n個飛行階段，全過程優(yōu)化目標為不同飛行階段優(yōu)化目標的總和，依次進行第n階段、第n-1階段、…、第1階段的優(yōu)化，整個優(yōu)化過程如下：

系統(tǒng)級優(yōu)化步驟，包括：令優(yōu)化目標為：在滿足g₀(z_sh,y)≤0、h₀(z_sh,y)＝0的條件下，使得f的值最??；

階段級優(yōu)化步驟，包括：

步驟A1：初始化i的值，令i＝n，其中n表示深空探測器總階段數(shù)；

步驟A2：判斷i的值，若i＞0時，給定z_sh,y,的值，在滿足g_i(x_i,y_i,z_i)≤0、h_i(x_i,y_i,z_i)＝0的條件下使得f_i(x_i,y_i,z_i)的值最??；若i≤0，則結(jié)束流程；

步驟A3：令i自減1，返回執(zhí)行步驟A2；

式中：z_sh為在整個系統(tǒng)范圍內(nèi)起作用的系統(tǒng)級設(shè)計變量；y為耦合變量，反映了不同階段之間的耦合關(guān)系；f為系統(tǒng)整體優(yōu)化目標，由不同階段優(yōu)化目標組合而成；g₀(z_sh,y)、h₀(z_sh,y)分別為系統(tǒng)級不等式約束條件和等式約束條件；f_i為第i階段的優(yōu)化目標；x_i、y_i、z_i分別為第i階段的狀態(tài)變量、耦合變量、設(shè)計變量；g_i(x_i,y_i,z_i)、h_i(x_i,y_i,z_i)分別為第i階段的不等式約束條件和等式約束條件。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

傳統(tǒng)的MDO方法，通常是將MDO問題根據(jù)學科進行分解，以簡化求解過程。本發(fā)明所提出的基于動態(tài)規(guī)劃思想的分階段優(yōu)化方法，以深空探測器為工程背景，將MDO問題分解為不同的階段，每個階段又包含多個學科，并依據(jù)動態(tài)規(guī)劃逆向遞推的思想，依次進行階段n、階段n-1、…、階段1的優(yōu)化，然后綜合地面各種工程約束條件和初值進行正向回代求解，使復(fù)雜優(yōu)化問題得以一定程度地簡化，從而實現(xiàn)深空探測器全階段多學科設(shè)計優(yōu)化過程，為深空探測器總體優(yōu)化設(shè)計奠定理論與方法基礎(chǔ)。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為深空探測器的各個階段示意圖；

圖2為本發(fā)明中優(yōu)化的原理示意圖；

圖3為本發(fā)明提供的深空探測器分階段MDO方法的原理示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

圖1所示為深空探測器分階段MDO方法框圖，具體包括如下步驟：

步驟一：深空探測器多階段多學科設(shè)計優(yōu)化問題描述；

深空探測器從發(fā)射至任務(wù)周期結(jié)束，需經(jīng)歷多個飛行階段。各飛行階段空間力學環(huán)境差異明顯，同時又互相聯(lián)系、互相約束，運動狀態(tài)環(huán)環(huán)相扣。綜合考慮飛行全過程優(yōu)化目標、設(shè)計參數(shù)、工程約束，完成多階段多學科設(shè)計優(yōu)化問題描述。

步驟二：深空探測器分階段多學科設(shè)計優(yōu)化模型建立；

根據(jù)深空探測器飛行全過程優(yōu)化目標、設(shè)計變量、約束條件，考慮不同飛行階段之間的聯(lián)系與約束，明確不同階段及不同學科間耦合關(guān)系，建立深空探測器分階段多學科設(shè)計優(yōu)化模型。

步驟三：基于動態(tài)規(guī)劃思想的全過程多階段多學科設(shè)計優(yōu)化模型求解；

依據(jù)動態(tài)規(guī)劃逆向遞推的思想，依次進行階段n、階段n-1、…、階段1的優(yōu)化，然后綜合地面各種工程約束條件和初值進行正向回代求解，從而實現(xiàn)全階段多學科設(shè)計優(yōu)化過程。

根據(jù)動態(tài)規(guī)劃逆向遞推思想，深空探測器多階段多學科設(shè)計優(yōu)化問題可以按照飛行的階段性進行分階段優(yōu)化，以最后階段為起始、以最初階段為終止，逆向遞推。假設(shè)深空探測器經(jīng)歷n個飛行階段，全過程優(yōu)化目標為不同飛行階段優(yōu)化目標的總和，依次進行第n階段、第n-1階段、…、第1階段的優(yōu)化，整個優(yōu)化過程如下：

系統(tǒng)級優(yōu)化步驟，包括：令優(yōu)化目標為：在滿足g₀(z_sh,y)≤0、h₀(z_sh,y)＝0的條件下，使得f的值最小；

階段級優(yōu)化步驟，包括：

步驟A1：初始化i的值，令i＝n，其中n表示深空探測器總階段數(shù)；

步驟A2：判斷i的值，若i＞0時，給定z_sh,y,的值，在滿足g_i(x_i,y_i,z_i)≤0、h_i(x_i,y_i,z_i)＝0的條件下使得f_i(x_i,y_i,z_i)的值最??；若i≤0，則結(jié)束流程；

步驟A2：令i自減1，返回執(zhí)行步驟A2；

式中：z_sh為在整個系統(tǒng)范圍內(nèi)起作用的系統(tǒng)級設(shè)計變量；y為耦合變量，反映了不同階段之間的耦合關(guān)系；f為系統(tǒng)整體優(yōu)化目標，由不同階段優(yōu)化目標組合而成；g₀(z_sh,y)、h₀(z_sh,y)分別為系統(tǒng)級不等式約束條件和等式約束條件；f_i為第i階段的優(yōu)化目標；x_i、y_i、z_i分別為第i階段的狀態(tài)變量、耦合變量、設(shè)計變量；g_i(x_i,y_i,z_i)、h_i(x_i,y_i,z_i)分別為第i階段的不等式約束條件和等式約束條件。

實施例

步驟S1：深空探測器總體任務(wù)分析；綜合考慮飛行全過程優(yōu)化目標、設(shè)計參數(shù)、工程約束，完成深空探測器總體任務(wù)分析。

以火星探測器為例，需要從系統(tǒng)的角度進行分析，綜合考慮地球逃逸段、地火轉(zhuǎn)移段、火星捕獲段、環(huán)火任務(wù)段等各飛行階段的優(yōu)化目標、設(shè)計變量及約束條件。地球逃逸段根據(jù)選定的發(fā)射場位置和地球逃逸速度矢量，設(shè)計發(fā)射時刻、逃逸軌道傾角、升交點赤經(jīng)、近地點幅角等參數(shù)，并受限于發(fā)射場位置、運載能力及入軌精度等因素。地火轉(zhuǎn)移段主要是通過選擇合適的發(fā)射窗口、到達窗口，以實現(xiàn)星際飛行過程中燃料最優(yōu)。發(fā)射歷元和到達歷元的選擇，決定了從地球發(fā)射所需的C3和到達時相對火星的剩余速度v_inf?；鹦遣东@段則是在保證捕獲安全可靠的前提下，使得捕獲所需的速度增量最小，并為軌道調(diào)整提供良好的條件。捕獲軌道參數(shù)的選擇決定了捕獲過程所需要的速度增量；捕獲過程應(yīng)保證對地通信無遮擋、捕獲過程中無火影，并滿足中分辨率相機成像條件。軌道調(diào)整段為從火星捕獲段過渡到環(huán)火任務(wù)段的過程，需要考慮合適的軌道調(diào)整策略、調(diào)整次數(shù)、耗時等，并滿足軌道調(diào)整過程中測控、燃料、通信等約束，對各過渡過程進行合理設(shè)計。環(huán)火任務(wù)段的科學目標是實現(xiàn)火星全球覆蓋，即全經(jīng)度、全緯度的覆蓋，也就是說，要實現(xiàn)最優(yōu)的環(huán)火軌道，并綜合考慮載荷、光照條件、測控可見性等各種約束條件。

步驟S2：深空探測器全過程多學科設(shè)計優(yōu)化模型建立；

根據(jù)深空探測器飛行全過程優(yōu)化目標、設(shè)計變量、約束條件，考慮不同飛行階段之間的聯(lián)系與約束，明確不同階段及不同學科間耦合關(guān)系，建立深空探測器分階段多學科設(shè)計優(yōu)化模型。以火星探測器為例，其科學目標是實現(xiàn)火星表面的全球覆蓋，即全經(jīng)度、全緯度的覆蓋。在科學目標的牽引下，載荷的成像高度、成像太陽高度角、視場角、光照條件等都會對環(huán)火軌道產(chǎn)生約束作用。軌道參數(shù)的選擇會影響其他分系統(tǒng)設(shè)計，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：影響載荷的分辨率、幅寬；影響環(huán)火軌道的覆蓋性能，包括緯度覆蓋范圍、經(jīng)度覆蓋范圍、覆蓋時間、覆蓋重數(shù)；軌道光照條件會對能源、熱控分系統(tǒng)帶來影響；帶來空間幾何關(guān)系變化，主要表現(xiàn)為器地距離會造成通信時延變化，日器距離會影響光照強度，日、器、地夾角會帶來日凌現(xiàn)象；軌道調(diào)整所需要消耗的燃料影響推進分系統(tǒng)的設(shè)計；影響測控可見弧段；影響可成像時間，從而影響數(shù)傳系統(tǒng)的任務(wù)安排?；诖耍鞔_優(yōu)化目標、設(shè)計變量、約束條件，建立火星探測器環(huán)火任務(wù)段多學科設(shè)計優(yōu)化模型。

步驟S3：基于動態(tài)規(guī)劃思想的全過程多階段多學科設(shè)計優(yōu)化模型求解；

依據(jù)動態(tài)規(guī)劃逆向遞推的思想，依次進行階段n、階段n-1、…、階段1的優(yōu)化，然后綜合地面各種工程約束條件和初值進行正向回代求解，從而實現(xiàn)全階段多學科設(shè)計優(yōu)化過程。動態(tài)規(guī)劃(Dynamic Programming,DP)理論基于貝爾曼Bellman最優(yōu)性原理，從本質(zhì)上講是一種非線性規(guī)劃方法，對于多級決策過程而言，最優(yōu)策略的一部分對當時的狀態(tài)而言也必定是最優(yōu)策略。作為一種逆序計算方法，動態(tài)規(guī)劃DP法從末端開始，到始端終止，逆向遞推，DP法基本遞推方程使決策過程連續(xù)地轉(zhuǎn)移，使一個多步最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為多個一步最優(yōu)控制問題，以簡化求解過程。深空探測器的飛行過程可劃分為不同的階段，從一個階段過渡到下一個階段需要付出相應(yīng)的代價，根據(jù)動態(tài)規(guī)劃理論，采用分階段優(yōu)化求解可簡化深空探測器多階段設(shè)計優(yōu)化過程。

根據(jù)動態(tài)規(guī)劃多級決策理論，將深空探測器劃分為發(fā)射、逃逸、中途修正1、…、中途修正n、捕獲、環(huán)火等不同狀態(tài)，從k級狀態(tài)進入k+1級狀態(tài)要付出相應(yīng)的代價，如消耗一定的燃料或花費相應(yīng)的時間。依據(jù)動態(tài)規(guī)劃逆向遞推思想，對深空探測器全過程多學科設(shè)計問題根據(jù)探測器飛行的階段性劃分為不同階段，依次進行階段n、階段n-1、…、階段1的優(yōu)化，然后綜合地面各種工程約束條件和初值進行正向回代求解，使復(fù)雜優(yōu)化問題得以一定程度地簡化，從而實現(xiàn)深空探測器全過程多階段多學科設(shè)計優(yōu)化過程。

相較于近地空間飛行器，深空探測器飛行距離遠、飛行軌跡復(fù)雜，探測器飛行階段性造成了深空探測器多學科設(shè)計優(yōu)化問題的特殊性。針對深空探測器飛行的階段性，本發(fā)明結(jié)合動態(tài)規(guī)劃逆向遞推思想，提出采用分階段優(yōu)化方法，以簡化復(fù)雜MDO問題求解，實現(xiàn)深空探測器全過程多階段多學科設(shè)計優(yōu)化過程。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。