编队卫星队形重构防碰撞最优轨迹规划

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1、第31卷第9期2010年9月航空学报ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTlCASINICAVol-31NO．9Sept．2010文章编号：1000-6893(2010)09—1818—06编队卫星队形重构防碰撞最优轨迹规划黄海滨，马广富，庄宇飞(哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001)OptimalTrajectoryPlanningforReconfigurationofSatelliteFormationwithCollisionAvoidanceHuangHaibin，MaGuangfu，ZhuangYufei(Schoo

2、lofAstronautics，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China)摘要：针对编队卫星队形重构的轨迹规划问题，提出了直接配置混合整数线性规划(DCMILP)方法。首先将卫星编队飞行问题进行简化，整个过程使用线性化描述；继而将三阶Simpson方法扩展至编队卫星的队形重构过程中，将各卫星的状态量和控制量在各节点处离散化；然后根据目标甬数及碰撞规避问题等各种约束条件，将整个过程转化为混合整数线性规划问题，从而可以找到该非凸问题的全局最优解。最后，通过对三维和二维两组编队卫星队形重构进行仿真，由结果可以

3、看出，与传统方法相比该方法快速有效，能够满足实时性的要求，使得卫星编队的自主运行成为可能。关键词：队形重构；碰撞规避；直接配置法；混合整数线性规划；非凸优化中图分类号：V448．2文献标识码：AAbstract：Thisarticlepresentsadirectcollocationmixedintegerlinearprogramming(DCMILP)methodforenergy—optimaltrajectoryplanningofsatelliteformationreconfiguration．First，theformationflyin

4、gproblemissimplifiedtOthatoflinearformulation．Second，thethree-orderSimpsonmethodisextendedtOthef‘JImationreconfigurationproblem，andthestateandcontrolvariablesarediscretizedatthenodes．Then，bymeansoftheobjectivefunction，collisionavoidanceandotherconstraints，theformationreconfigurat

5、ionproblemistransformedintoaproblemofmixedintegerlinearprogrammingSOastofindaglobaloptimalsolutiontothisnon-convexoptimizationproblem．Finally。thethree-dimensionandtwo-dimensionsimulationresultsdemon—stratethatthismethodisabletOsolvetheprobleminashorttimeandthatitcanbeusedasanon—l

6、inealgo-rithmoftrajectoryplanningforformationreconfiguration．Keywords：formationreconfiguration；collisionavoidance；directcollocationmethod；mixedintegerlinearpro—gramming；non-convexoptimization队形重构是卫星编队系统的关键技术之一，也是其区别于传统单颗卫星的重要特性。通过重构，编队卫星可以根据任务的不同需要合理地改变队形，从而能够更精确、更有效地完成任务。同时，当某颗卫

7、星失效或系统需要更新有效载荷时，都可以通过队形重构补充新的卫星予以实现¨]。因此，编队卫星队形重构问题的研究对于卫星编队飞行的实际应用具有重要的意义。队形重构就是对编队卫星位置的重分配[2]，即通过规划出的一系列最优轨迹，使得卫星能够在规定时间范围内从当前状态转移到指定状态，因而队形重构可以看做一个最优路径规划问题，即在有限时间内(几秒至十几分钟)，多颗被看做质点的刚体卫星收稿日期：2009—09—17；修订日期：2010—05—13基金项目：国家自然科学基金(60774062)通讯作者：马广富E—mail：magf@hit．edu．on进行静止到静止(

8、Rest—to—Rest)机动，同时考虑碰撞及推力约束，并使得某种性能指标(如燃