本申請涉及航天任務(wù)規(guī)劃，特別是涉及一種多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、針對空間多碎片清除、多小行星探測、星座在軌服務(wù)等任務(wù)，通過多航天器在給定時間內(nèi)合作遍歷交會大量空間目標，實現(xiàn)對大規(guī)模目標的批量訪問，如圖1所示。設(shè)計此類任務(wù)需全局優(yōu)化目標分配、交會序列和時刻，以及航天器在各目標之間的轉(zhuǎn)移軌跡，最小化飛行成本或飛行時長。該問題是一類軌道動力學下具有時變狀態(tài)特征的車輛路徑規(guī)劃問題?？臻g目標的位置、速度均隨時間持續(xù)變化，目標間轉(zhuǎn)移成本是時間的連續(xù)函數(shù)。目標分配和交會序列規(guī)劃為組合優(yōu)化問題，涉及離散變量；轉(zhuǎn)移時間和軌跡規(guī)劃為非線性優(yōu)化問題，涉及連續(xù)變量，二者的混合造成解空間巨大且局部最優(yōu)多。

2、傳統(tǒng)求解策略分為兩類。第一類為多階段分解策略，將整個求解過程分解為目標分配、排序、時間調(diào)度和軌跡規(guī)劃等多個階段，并在每個階段使用下一階段的簡化模型進行近似求解；模型近似造成的誤差制約了解的全局最優(yōu)性。第二類為目標狀態(tài)靜態(tài)化策略，通過局部優(yōu)化時間變量，將時變問題轉(zhuǎn)化為靜態(tài)問題；全局組合優(yōu)化與局部時間優(yōu)化的混合造成計算復雜度過高，求解效率低；對時域探索的不充分限制了所得解的最優(yōu)性。目前尚缺乏一種方法，通過單一求解過程統(tǒng)籌優(yōu)化所有變量，并在優(yōu)化過程中充分地探索時域，在可接受的計算量下同時確保分配、序列和時間變量最優(yōu)性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對上述技術(shù)問題，提供一種多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法和裝置。

2、一種多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法，該方法包括：

3、將多航天器對多星遍歷交會任務(wù)規(guī)劃問題分解為外層規(guī)劃問題和內(nèi)層轉(zhuǎn)移軌跡規(guī)劃問題，構(gòu)建兩層規(guī)劃問題的數(shù)學模型；外層規(guī)劃問題是目標分配、交會序列和時間規(guī)劃問題。

4、將航天器建模為任務(wù)箱，并將單航天器的飛行任務(wù)時間線離散為均勻分布的時間點，以離散的時間點作為放置目標的基本單元，將復雜的離散連續(xù)混合優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為簡單的裝箱組合優(yōu)化問題。

5、將待交會目標隨機分配到任務(wù)箱，針對每個任務(wù)箱，構(gòu)造每個任務(wù)箱中單航天器對多目標交會任務(wù)方案的解樹，將時域表征融入傳統(tǒng)樹搜索框架，使解樹中的分支可同時表征最優(yōu)交會序列和時間；解樹包含多個優(yōu)質(zhì)裝箱方案分支。

6、通過全局優(yōu)化算子調(diào)整改進各任務(wù)箱之間的目標分布；通過刪除算子和插入算子重構(gòu)被調(diào)整任務(wù)箱的解樹，得到各任務(wù)箱中各目標被交會時間點；全局優(yōu)化算子包括：移動算子、置換算子、再分配算子。

7、將各任務(wù)箱中各目標被交會時間點作為初值，通過梯度法精確優(yōu)化時間變量，得到連續(xù)參數(shù)域各航天器交會各目標的最優(yōu)時刻。

8、基于連續(xù)參數(shù)域各航天器交會各目標的最優(yōu)時刻，將原問題轉(zhuǎn)化為多個獨立的內(nèi)層軌道轉(zhuǎn)移軌跡規(guī)劃問題，分別求解最優(yōu)端到端轉(zhuǎn)移軌跡；原問題為多航天器對多星遍歷交會軌跡全局優(yōu)化問題。

9、一種多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化裝置，該裝置包括：

10、兩層規(guī)劃問題的建模模塊，用于將多航天器對多星遍歷交會任務(wù)規(guī)劃問題分解為外層規(guī)劃問題和內(nèi)層轉(zhuǎn)移軌跡規(guī)劃問題，構(gòu)建兩層規(guī)劃問題的數(shù)學模型；外層規(guī)劃問題是目標分配、交會序列和時間規(guī)劃問題。

11、問題轉(zhuǎn)換模塊，用于將航天器建模為任務(wù)箱，并將單航天器的飛行任務(wù)時間線離散為均勻分布的時間點，以離散的時間點作為放置目標的基本單元，將復雜的離散連續(xù)混合優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為簡單的裝箱組合優(yōu)化問題。

12、多目標交會任務(wù)方案的解樹構(gòu)建模塊，用于構(gòu)造每個任務(wù)箱中單航天器對多目標交會任務(wù)方案的解樹，將時域表征融入傳統(tǒng)樹搜索框架，使解樹中的分支可同時表征最優(yōu)交會序列和時間；解樹包含多個優(yōu)質(zhì)裝箱方案分支。

13、目標裝箱分布優(yōu)化調(diào)整模塊，通過全局優(yōu)化算子調(diào)整改進各任務(wù)箱之間的目標分布；通過刪除算子和插入算子重構(gòu)被調(diào)整任務(wù)箱的解樹，得到各任務(wù)箱中各目標被交會時間點；全局優(yōu)化算子包括：移動算子、置換算子、再分配算子。

14、最優(yōu)交會時刻確定模塊，用于將各任務(wù)箱中各目標被交會時間點作為初值，通過梯度法精確優(yōu)化時間變量，得到連續(xù)參數(shù)域各航天器交會各目標的最優(yōu)時刻。

15、最優(yōu)端到端轉(zhuǎn)移軌跡求解模塊，用于基于連續(xù)參數(shù)域各航天器交會各目標的最優(yōu)時刻，將原問題轉(zhuǎn)化為多個獨立的內(nèi)層軌道轉(zhuǎn)移軌跡規(guī)劃問題，分別求解最優(yōu)端到端轉(zhuǎn)移軌跡；原問題為多航天器對多星遍歷交會軌跡全局優(yōu)化問題。

16、上述多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法和裝置，該方法將復雜的離散連續(xù)混合優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為簡單的裝箱組合優(yōu)化問題，通過一種融入時域表征的樹搜索方法同時對組合域和時域充分探索，可統(tǒng)籌優(yōu)化目標分配、交會序列和時間變量。首先，將多航天器對多星遍歷交會任務(wù)規(guī)劃問題分解為外層目標分配、交會序列和時間規(guī)劃問題和內(nèi)層轉(zhuǎn)移軌跡規(guī)劃問題。其次，將航天器建模為任務(wù)箱，并將飛行任務(wù)時間線離散為均勻分布的時間點，作為放置目標的基本單元。然后，將目標分配到任務(wù)箱，并構(gòu)造遍歷交會任務(wù)方案解樹，解樹融入時域表征，分支同時表征最優(yōu)交會序列和時間；通過移動、置換、再分配等全局優(yōu)化算子調(diào)整改進各任務(wù)箱之間的目標分布并重構(gòu)解樹。最后，將優(yōu)化所得交會時間點作為初值，通過梯度法精確優(yōu)化時間變量；基于外層所得各航天器交會各目標的精確時刻，分別求解內(nèi)層最優(yōu)端到端轉(zhuǎn)移軌跡。采用本方法可獲得比已有方法更優(yōu)的任務(wù)方案。

技術(shù)特征：

1.一種多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法，其特征在于，將多航天器對多星遍歷交會任務(wù)規(guī)劃問題分解為外層規(guī)劃問題和內(nèi)層轉(zhuǎn)移軌跡規(guī)劃問題，構(gòu)建兩層規(guī)劃問題的數(shù)學模型，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法，其特征在于，將待交會目標隨機分配到任務(wù)箱，針對每個任務(wù)箱，構(gòu)造單航天器對多目標交會任務(wù)方案的解樹，將時域表征融入傳統(tǒng)樹搜索框架，使解樹中的分支可同時表征最優(yōu)交會序列和時間，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法，其特征在于，通過全局優(yōu)化算子調(diào)整改進各任務(wù)箱之間的目標分布；通過刪除算子和插入算子重構(gòu)被調(diào)整任務(wù)箱的解樹，得到各任務(wù)箱中各目標被交會時間點，包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法，其特征在于，通過移動算子和置換算子調(diào)整各任務(wù)箱之間的目標分布，并通過刪除算子和插入算子重構(gòu)被調(diào)整任務(wù)箱的解樹，該步驟中移動算子的具體步驟包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法，其特征在于，通過移動算子和置換算子調(diào)整各任務(wù)箱之間的目標分布，并通過刪除算子和插入算子重構(gòu)被調(diào)整任務(wù)箱的解樹，該步驟中置換算子的具體步驟包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法，其特征在于，采用刪除算子從任務(wù)箱a中刪除目標x并重構(gòu)解樹，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法，其特征在于，采用插入算子將目標x插入到任務(wù)箱b中并重構(gòu)解樹，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法，其特征在于，將各任務(wù)箱中無法裝載的目標收集到冗余集中，并通過再分配算子將冗余目標插入到其他任務(wù)箱，包括：

10.一種多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化裝置，其特征在于，所述裝置包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及一種多航天器對多星遍歷交會的裝箱分支混合優(yōu)化方法和裝置。該方法包括：將多航天器對多星遍歷交會任務(wù)規(guī)劃問題分解為外層目標分配、交會序列和時間規(guī)劃問題和內(nèi)層轉(zhuǎn)移軌跡規(guī)劃問題；將航天器建模為任務(wù)箱，并將飛行任務(wù)時間線離散為均勻分布的時間點，作為放置目標的基本單元；將目標分配到任務(wù)箱，并構(gòu)造遍歷交會任務(wù)方案解樹，解樹融入時域表征，分支表征最優(yōu)交會序列和時間；通過移動、置換、再分配等全局優(yōu)化算子調(diào)整改進各任務(wù)箱之間的目標分布并重構(gòu)解樹；將優(yōu)化所得交會時間點作為初值，通過梯度法精確優(yōu)化時間變量；基于各航天器交會各目標的精確時刻，分別求解內(nèi)層最優(yōu)端到端轉(zhuǎn)移軌跡。采用本方法可獲得更優(yōu)的任務(wù)方案。

技術(shù)研發(fā)人員：張嘉城,朱閱訸,羅亞中,張宇
受保護的技術(shù)使用者：中國人民解放軍國防科技大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21