考虑变轨要求的卫星总体参数优化研究

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1、考虑变轨要求的卫星总体参数优化研究邓文熙，张凌燕，吴文瑞，黄海（北京航空航天大学宇航学院，北京100083，Email:dwx40@163.com）摘要：卫星设计是一个多学科交叉和权衡的优化过程。许多航天任务需要在轨机动或变轨转移，如在轨维护、交会对接或快速替换星座中的故障卫星。本文对考虑轨道机动要求的卫星总体参数多学科优化问题进行了研究，建立了相应的模型并用协同优化方法进行了优化计算；模型考虑了轨道设计、结构、电源、遥测遥控指令和有效载荷等多个分系统的设计参数和要求。研究结果表明，协同优化方法能有效解决复杂卫星的总体参数优化问题。关键词：多学科设计优化、协同优化、卫星设计

2、、轨道设计、机动策略、Lambert变轨卫星总体设计是一个多学科交叉的系统工程，涉及到及轨道、姿轨控、电源、结构、有效载荷、测控通信、热控、发射、可靠性、安全性以及测试性等学科。多学科设计优化（MultidisciplinaryDesignOptimization，简称MDO）为卫星总体设计提供了一种新的有效手段。MDO不仅能很好对复杂工程问题进行分解协调，还能充分利用现有各种资源（精确模型）进行并行的设计优化。协同优化方法（CollaborativeOptimization，简称CO）是在一致性约束优化方法基础上提出的一种两级MDO方法，能很好地解决了多学科设计优化问题面

3、临的计算复杂性和组织复杂性这两大难题，特别适合于复杂工程系统的分布式设计环境[[1]Braun.R.D.CollaborativeOptimization:AnArchitectureforLarge-ScaleDistributedDesign[D].California:DepartmentofAeronauticsandAstronauticsofStanfordUniversity,1996.]。文献[[2]裴晓强,黄海.协同优化在卫星多学科设计优化中的初步应用[J].宇航学报,2006,27(5):1054-1058.]利用协同优化方法对观测卫星总体参数优化作了初

4、步尝试。许多卫星需要进行在轨机动完成远程交会任务，常用的方法有霍曼变轨和Lambert变轨等。轨道设计的优化能显著提高卫星的机动性能，并减少燃料消耗和整星质量。本文从轨道设计优化的要求出发，以考虑变轨的在轨维护卫星为设计对象，对其总体参数设计问题进行了基于协同优化方法的建模，考虑的设计参数、约束和目标函数更多，涉及轨道、结构、电源、GNC（导航,制导与控制）、TT&C（遥测、遥控与指令）、有效载荷等学科（分系统）。本文利用常用的学科分析模型，对虚拟卫星的设计优化问题进行数值计算，最终得到了满意的优化结果，为卫星总体参数的确定提供了一种可靠的新方法。111在轨维护卫星设计建模

5、某航天任务要求设计一个在轨维护卫星（OrbitalMaintainVehicle，简称OMV）能对多颗太阳同步卫星进行在轨维护，并能执行对地观测任务。OMV由某火箭送入800km的初始轨道后，再转移到800～1100km的待命轨道（图1）；待命期间对地进行观测任务，当需要执行维修任务时，快速机动到故障卫星附近进行在轨维护；任务完成后返回待命轨道等待新的维修任务。卫星安装红外CCD相机和在轨维修装置，要求设计寿命大于3年，至少能执行2次在轨维护任务，执行变轨任务的时间小于1天。1.1系统目标函数的确定OMV的设计目标包括成本、机动性能和观测性能等，成本一般以卫星总重为标准进行

6、估计。本文采用加权的线性组合法将问题简化为一个单目标优化问题，加权后的系统目标函数为：其中分别表示卫星总重、速度增量、机动时间和对地观测分辨率；是上述参数的归一化参考值；A,B,C,D是对应参数的加权系数。1.2轨道设计建模轨道设计是卫星总体设计的一项重要内容，是达成使命的关键步骤，需要根据不同的用户需求和任务进行针对性设计。本文OMV的轨道设计方案如图1所示，其中故障星轨道参数为：轨道高度1100km、偏心率0、倾角99.941°、升交点赤经40°、近地点幅角0°、真近点角60°；初始轨道为与待命轨道同平面800km的圆轨道；转移和返回轨道采用赫曼变轨，机动轨道采用多圈L

7、ambert双脉冲变轨快速接近目标完成维修任务。11图1在轨维护卫星的轨道设计示意图轨道设计的任务是，确定待命轨道的参数和Lambert变轨策略（两次机动时刻），计算变轨总速度增量，使卫星能满足任务的各种约束且目标最优。轨道分析采用二体模型，多圈Lambert变轨采用普适变量法进行迭代求解[[1]韩潮,谢华伟.空间交会中多圈Lambert变轨算法研究[J]，中国空间科学技术，2004.10，第5期]；先由下式（1）迭代解出普适变量z，再按（2）（3）计算机动轨道的ΔV预算。其中为普适变量z的函数，分别为机动轨道起点