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有限推力轨道转移优化方法与应用研究

作　者: 刘峰
导　师: 廖瑛
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 轨道优化有限推力直接优化法序优化多目标遗传算法
分类号: V412.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着科学技术的进步与航天活动的迅速开展,有限推力轨道任务越来越受到人们的重视。地球同步卫星入轨、远日行星探测及月球探测等相关任务都已经开始实施或已被提上日程。有限推力推进系统因其高比冲极大增加了有效载荷的质量百分比,节约了任务成本,增大了科学回报,但同时也对轨道优化技术提出了新的要求。本文以地球同步卫星远地点最优变轨和地火有限推力最优轨道转移为背景,从理论上较为全面的研究了有限推力轨道转移优化方法与应用。主要研究内容包括以下几个方面:在基础理论方面:跟踪分析了国内外有限推力空间探测活动的发展历程;介绍了三种有限推力轨道转移优化算法的研究现状及各自的优缺点;对不同坐标系下描述的有限推力探测器轨道动力学模型以及模型的归一化处理技巧和星历信息的获取方法进行了全面的阐述;系统论述了序优化理论和遗传算法的基本原理和方法;介绍了多目标优化问题中目标的转化和约束条件的处理方法。在优化算法改进和实现方面:针对直接法中优化参数搜索范围很大的问题,提出了一种基于序优化理论的参数选定算法,并选用两个经典的测试函数对该算法的可行性进行了验证;通过一种重要的多目标优化问题对该算法的性能进行了评估。结果表明,该算法既能够有效缩小优化参数的搜索范围,又对复杂的多目标多约束问题有较好的收敛性。为了克服多目标多约束优化计算负荷大的问题,以及最大程度地利用遗传算法的内在并行性,实现了一种通用化的基于服务器端/客户端模式的分布式并行计算系统。该并行计算系统将优化算法作为服务器,将大计算量的计算步骤分配给若干个计算客户端来完成。在优化方法的应用方面:求解了基于直接优化算法的地球同步卫星远地点最优变轨问题和地火有限推力最优轨道转移问题。在建立了相应坐标系描述的轨道动力学模型后,使用参数化方法选取了待优化的控制变量并建立了轨道控制优化模型;利用权重法和惩罚系数法将问题转化为单目标优化问题;使用等高线法和基于序优化理论的参数选定算法对优化变量的范围进行了选定;利用基于序优化理论的多目标遗传算法分别对两个算例的最优化方案进行了仿真,给出了仿真结果。对使用参数选定算法前后的结果进行了对比分析,结果表明:该方法具有良好的问题普适性,并且可以显著提高直接优化算法的效率。本文的研究成果在空间探测有限推力轨道优化研究中具有良好的应用前景,可为我国未来的空间探测任务提供一定的技术参考和理论借鉴。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-24
  1.1 研究背景和意义  13-15
  1.2 有限推力轨道转移优化方法研究综述  15-21
    1.2.1 国内外有限推力空间探测活动概述  15-17
    1.2.2 有限推力轨道转移优化算法概述  17-21
  1.3 研究思路与主要研究内容  21-24
    1.3.1 研究思路  21-22
    1.3.2 主要研究内容  22-24
第二章有限推力探测器轨道动力学建模  24-33
  2.1 有限推力探测器轨道动力学模型  24-29
    2.1.1 笛卡尔坐标系下的动力学模型  24-25
    2.1.2 极坐标下的动力学模型  25-26
    2.1.3 轨道正切坐标系下的动力学模型  26-28
    2.1.4 经典轨道根数动力学模型  28
    2.1.5 改进春分点轨道根数动力学模型  28-29
  2.2 有限推力轨道转移推进系统模型  29-30
  2.3 有限推力轨道动力学模型的归一化处理  30-31
  2.4 行星星历信息的获取  31-32
  2.5 本章小结  32-33
第三章基于序优化理论的遗传算法及其实现  33-53
  3.1 序优化理论  33-38
    3.1.1 序优化理论概述  33-35
    3.1.2 基于序优化理论的参数选定算法  35-37
    3.1.3 经典测试函数测试算例及分析  37-38
  3.2 遗传算法  38-43
    3.2.1 遗传算法基本原理  38-42
    3.2.2 遗传算法发展概况  42-43
  3.3 多目标优化方法  43-50
    3.3.1 多目标的转化  44-46
    3.3.2 约束条件的处理  46-47
    3.3.3 分布式并行计算  47-50
  3.4 基于序优化理论的多目标优化遗传算法  50-52
  3.5 本章小结  52-53
第四章地球同步卫星远地点最优变轨  53-67
  4.1 问题分析与建模  53-56
  4.2 远地点变轨轨道控制优化  56-58
    4.2.1 优化参数的选取  56
    4.2.2 目标函数的定义  56-57
    4.2.3 多目标的转化  57
    4.2.4 约束条件  57
    4.2.5 优化问题的最终表达  57-58
  4.3 基于序优化理论的遗传算法最优化方案  58-61
    4.3.1 点火次数的估算  58-59
    4.3.2 优化参数初始区间与约束关系确定  59-61
  4.4 仿真算例与结果分析  61-66
  4.5 本章小结  66-67
第五章地火有限推力最优轨道转移  67-82
  5.1 问题分析与建模  67-70
  5.2 地火有限推力变轨轨道控制优化  70-72
    5.2.1 优化参数的选取  70-71
    5.2.2 目标函数的定义  71
    5.2.3 多目标的转化  71-72
    5.2.4 约束条件  72
    5.2.5 优化问题的最终表达  72
  5.3 基于序优化理论的遗传算法最优化方案  72-77
    5.3.1 发射窗口及飞行时间的搜索方法  72-74
    5.3.2 优化参数初始区间的确定  74-77
  5.4 仿真算例与结果分析  77-81
  5.5 本章小结  81-82
第六章结论与展望  82-85
  6.1 工作总结  82-83
  6.2 主要结论  83
  6.3 研究展望  83-85
致谢  85-86
参考文献  86-92
作者在攻读学位期间发表的学术论文  92
作者在攻读学位期间参加的科研项目  92

有限推力轨道转移优化方法与应用研究

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