微小卫星低可观测外形飞行姿态规划

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252011V01．32No．4720-728ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：i'／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000-6893(2011)04-0720-09微小卫星低可观测外形飞行姿态规划苏抗，周建江*南京航空航天大学电子信息工程学院，江苏南京210016摘要：为提高在轨微小卫星的使用效能及生存能力，提出一种微小卫星低可观测外形飞行姿态规划算法。根据微小卫星雷达散射截面(RCS)、轨

2、道及雷达威胁特性，建立了可进行长时间内最佳飞行姿态规划的数学模型，设计了低计算复杂度的链表式个体结构及进化规划策略，并实现了算法对高威胁区优化规划的能力。同时，算法低迭代步长下的快速收敛特性以及进化中规划精度及计算量可变的设计，也使其可灵活应用于不同的规划任务。仿真结果表明，算法可有效降低S波段及甚高频(VHF)波段雷达对微小卫星的威胁性。满足微小卫星低可观测外形飞行姿态规划的需求。关键词：姿态规划；微小卫星；低可观测性；进化策略；雷达散射截面；探测概率中图分类号：V448．22+3文献标识码：A微小卫星重量轻、体积小、成本低、生产周期短、发射

3、容易，在侦察、导航、数据中继及早期预警等领域具有重要的战略及战术意义。然而，近年来空间探测设备的快速发展，越来越多地限制了轨道较低、机动能力有限的微小卫星的使用。通过对微小卫星的探测跟踪，可计算出其飞行轨道，实现对其过顶位置、时间的预报，并可通过适当的干扰或伪装以降低其使用效能；同时，被定轨的微小卫星还将面临着各类反卫星武器的威胁。为提高在轨微小卫星的使用效能及生存能力，对其进行低可观测性设计是一种行之有效的解决方案。目前，对中／低轨卫星的探测主要由雷达完成，因此低可观测微小卫星设计中需以低雷达探测特性作为其关键。低可观测外形设计是目前最简单有

4、效的增加雷达对卫星探测难度的实现方式[1·]，结合适当的材料及工艺，其还可具备一定的抗激光武器打击能力及低光学可观测特性。但是，低可观测外形的低可观测性能具有明显的方向性特征，从而使得非常有必要对其进行适当的飞行姿态规划[5。7]，以获取更优的低可观测性能；同时，一般由导电薄膜或金属网构成的微小卫星低可观测外形具有重量轻、可通过连杆等机械结构与星体连接的特征[11]，也使得微小卫星可以较低的代价完成相应的姿态控制。根据微小卫星雷达散射截面(RadarCrossSec—tion，R(葛)、轨道及探测雷达威胁情况，已有算法虽然可有效完成微小卫星低可

5、观测外形的实时姿态规划[8-9]，但其规划过程中仅考虑了当前状态下卫星所面临的威胁情况，从而使得算法具有一定的局限性：不具备长时间内最佳飞行姿态的规划能力；不能对威胁密集分布区域进行优先考虑，也无法对无威胁区域进行适当利用；虽然在较短规划时间内具备较好的规划性能，但较短的规划时间也降低了收稿日期：2010．08．02；退修日期：2010-10-09；录用日期：2010·11·23；网络出版时同：2010-12-1317：06网络出版地址：WWW．cnki．tiet／kcms／detail／11．1929．V．20101213．1706．000．

6、№IDOI：CNKI：11-1929／V．20101213．1706．000基金项目：国家。863”计划*通讯作者．Tel．：025-84892838E-mail：zjjee@幡．e山．∞戮焉纂式I苏抗。周楚江．镟小卫星低可观测井形飞行姿态规斟[J]．兢空学报，2011．32(4)：720-728，SuKang，ZhouJianjiang．Flightattitudeplanningforlowobservablemicro-satelliteshields{J_7．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，201

7、1，32(4)：720·728，苏抗等：微小卫星低可观测外形飞行姿态规划规划结果的稳定性，频繁的姿态凋整增加了星体控制系统的设计难度及能源系统的负担。本文提出了一种基于进化策略的微小卫星低可观测外形飞行姿态规划算法。建立了与星体姿态、威胁分布直接关联的数学模型，避免了传统规划算法广泛采用的规划空间计算或解析表达[1¨33；设计了扩展链表式个体结构及相应进化策略，降低了算法计算复杂度；设计了与威胁区威胁性相关的适应度函数，增加了算法高威胁区优化规划能力；此外，通过变节点数变异，算法还可进行规划计算量的动态调整，以满足不同数据处理能力星体的需求。l

8、姿态规划模型小卫星所受雷达威胁水平、威胁方向RCS及雷达威胁概率可定义为L=max(a：，盯：，⋯，d：)(6)盯t—max(仃1，口2，⋯，盯。)(