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空间最优交会路径规划策略研究

作　者: 罗亚中
导　师: 唐国金
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 航天器交会对接交会路径规划进化算法多目标最优交会协方差分析鲁棒最优交会实时规划规划软件
分类号: V412.41
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

交会对接是进行空间组装、空间救援、深空探测等的必要技术,是我国载人航天第二步战略的关键技术。交会路径规划是交会对接技术中关键问题之一。论文以解决工程实际中的关键问题为目的,同时立足于拓展新的理论和方法,系统地研究了摄动和路径约束最优交会路径规划问题、多目标最优交会路径规划问题以及考虑偏差的鲁棒最优交会路径规划和实时交会路径规划问题。全文主要研究成果如下:发展了摄动和路径约束的最优交会路径规划策略。1)结合遗传算法的全局搜索能力和序列二次规划算法的快速收敛能力以及简化解析轨道计算和高精度轨道数值计算的优点,提出了一类求解考虑摄动和路径约束最优交会问题的两步串行混合优化策略;2)提出了结合主矢量理论、Lambert交会算法和进化算法用于确定最优脉冲数目的交互式规划策略;3)建立了调相交会特殊点变轨的整数和连续变量混合变量优化模型,提出了结合整数编码遗传算法和牛顿迭代法的混合求解策略,给出了不可行解剔除、记忆数据库以及迭代初始点更新三种用于提高算法鲁棒性和效率的措施;4)给出了一个新的多圈Lambert交会迭代算法,建立了基于多圈Lambert交会算法的调相交会综合变轨规划模型,提出了基于并行模拟退火单纯形算法的全局优化策略。基于解析问题和实际应用问题对所提出规划策略的全局收敛能力、效率和鲁棒性进行了充分的测试和验证。研究提出了多目标最优交会路径规划的理论、模型和算法。1)定义了交会轨道被动安全的一个评价指标,并给出了一类半解析分析算法;2)分别基于线性C-W交会方程和非线性二体交会方程,建立了综合考虑燃料消耗、交会时间和交会轨道被动安全指标等三个指标的多目标最优交会路径规划模型,采用一类多目标遗传算法NSGA-Ⅱ获得Pareto最优解集,优化结果可以快捷有效地揭示交会轨道整体性能指标之间的关系;3)提出了基于物理规划算法、Lambert交会算法和模拟退火算法的非线性摄动多目标最优交会问题的求解策略,获得了能应用于实际飞行任务并满足设计者偏好指标的满意解。研究提出了考虑偏差鲁棒最优交会路径规划的理论、模型和算法。1)定义了偏差最优交会的鲁棒评价指标,提出了一类用于非线性交会偏差分析的协方差分析方法;2)分别基于线性C-W交会方程和非线性二体交会方程,建立了综合考虑燃料消耗和鲁棒指标的鲁棒最优交会两目标规划模型,采用NSGA-Ⅱ获得了Pareto解集,通过与燃料最优解和鲁棒指标最优解的对比验证了解的Pareto最优性;3)将鲁棒指标引入到多目标交会路径规划中,优化结果可以快速地获得考虑偏差交会轨道整体性能指标之间的关系。研究给出了非线性交会实时路径规划算法。1)给出了基于Lambert算法的考虑轨道摄动的自主交会轨道制导算法;2)发展了调相交会的轨道机动实时规划算法,包括特殊点变轨实时规划算法和基于近圆偏差方程的综合变轨实时规划算法;3)研制了集成论文研究成果并面向工程应用的交会路径规划软件。论文研究拓展了现有最优交会路径规划的研究范畴,发展了多目标最优交会路径规划和考虑偏差的鲁棒最优交会路径规划的理论、模型和算法,具有一定的理论意义,同时为交会轨道的综合性能指标设计提供了新的手段;论文所提出的复杂交会路径规划方法、实时路径规划算法以及所研制的交会路径规划软件解决了实际工程应用的难点问题,在我国载人航天二期工程和其他空间应用工程中具有较高的实践价值。

全文目录

摘要  13-15
ABSTRACT  15-17
第一章绪论  17-31
  1.1 论文的研究背景  17-19
    1.1.1 交会对接基本概念  17
    1.1.2 我国载人航天工程发展概况  17-18
    1.1.3 交会对接任务规划  18-19
  1.2 交会路径规划  19-21
    1.2.1 交会对接飞行阶段  19-20
    1.2.2 交会路径规划问题  20-21
  1.3 最优交会路径规划研究进展  21-26
    1.3.1 线性最优交会  21-24
    1.3.2 非线性最优交会  24-25
    1.3.3 最优交会规划算法  25-26
  1.4 主要解决的问题和研究意义价值  26-28
    1.4.1 主要解决的问题  26-28
    1.4.2 研究意义和价值  28
  1.5 主要内容安排  28-31
第二章交会路径规划模型、最优交会理论和规划算法  31-53
  2.1 交会的基本动力学模型  31-33
    2.1.1 二体摄动动力学模型  31
    2.1.2 C-W相对运动动力学模型  31-32
    2.1.3 轨道计算方法  32-33
  2.2 基于C-W方程的线性最优交会规划模型  33-35
    2.2.1 C-W交会状态方程  33
    2.2.2 C-W脉冲交会的广义逆矩阵解  33-34
    2.2.3 C-W脉冲最优交会规划模型  34-35
  2.3 基于Lambert算法的非线性最优交会规划模型  35-39
    2.3.1 双脉冲Lambert交会算法  35-36
    2.3.2 多圈Lambert交会算法  36-37
    2.3.3 非线性多脉冲交会问题  37-38
    2.3.4 可行解迭代的规划模型  38-39
  2.4 脉冲最优交会理论  39-41
    2.4.1 脉冲最优交会的主矢量理论  39-40
    2.4.2 脉冲解的最优必要性验证算法  40-41
  2.5 非线性优化问题的求解算法  41-49
    2.5.1 序列二次规划算法  42
    2.5.2 遗传算法  42
    2.5.3 模拟退火算法  42-44
    2.5.4 并行模拟退火单纯形算法  44-49
  2.6 多目标遗传算法  49-52
    2.6.1 多目标优化问题  49-50
    2.6.2 多目标进化算法  50-51
    2.6.3 NSGA-Ⅱ算法概述  51-52
  2.7 小结  52-53
第三章摄动和路径约束交会路径规划  53-79
  3.1 寻的交会和调相交会问题  53-55
    3.1.1 寻的交会问题及求解策略  53
    3.1.2 调相交会问题及求解策略  53-55
  3.2 摄动路径约束两步规划方法  55-60
    3.2.1 优化模型  55-56
    3.2.2 求解框架  56
    3.2.3 算例及分析  56-60
  3.3 脉冲数目最优的交互式规划方法  60-64
    3.3.1 非最优主矢量理论  60-62
    3.3.2 交互规划流程  62-63
    3.3.3 算例及分析  63-64
  3.4 调相特殊点变轨优化设计  64-72
    3.4.1 轨道机动策略  64-65
    3.4.2 规划模型  65-66
    3.4.3 求解策略  66-67
    3.4.4 算法改进  67-69
    3.4.5 算例及分析  69-72
  3.5 调相综合变轨优化设计  72-77
    3.5.1 二体解的求解模型和算法  72-73
    3.5.2 摄动解的求解模型和算法  73
    3.5.3 优化框架  73-74
    3.5.4 解析问题  74-75
    3.5.5 算例及分析  75-77
  3.6 小结  77-79
第四章多目标最优交会路径规划  79-102
  4.1 交会轨道被动安全指标  79-81
    4.1.1 被动安全指标的定义  79-80
    4.1.2 被动安全指标的简化分析模型  80-81
  4.2 线性多目标最优交会  81-86
    4.2.1 优化模型  81-82
    4.2.2 算例及分析  82-86
  4.3 非线性二体多目标最优交会  86-94
    4.3.1 优化模型  86-88
    4.3.2 算例及分析  88-94
  4.4 非线性摄动多目标最优交会  94-100
    4.4.1 物理规划数学模型  95-98
    4.4.2 基于物理规划的优化策略  98
    4.4.3 算例及分析  98-100
  4.5 小结  100-102
第五章鲁棒最优交会路径规划  102-124
  5.1 偏差交会路径规划概述  102-106
    5.1.1 不确定性设计优化概述  102-103
    5.1.2 交会主要偏差因素和偏差分析方法  103-104
    5.1.3 偏差交会路径规划问题及解决方案  104-106
  5.2 鲁棒线性最优交会路径规划  106-113
    5.2.1 线性交会协方差分析  106-107
    5.2.2 时间固定燃料最优鲁棒线性最优交会  107-110
    5.2.3 考虑偏差的线性多目标最优交会规划  110-113
  5.3 非线性交会偏差协方差分析  113-119
    5.3.1 分析方法  113-115
    5.3.2 偏差的转换关系  115-116
    5.3.3 偏差的传递矩阵  116
    5.3.4 算例及分析  116-119
  5.4 鲁棒非线性二体交会路径规划  119-123
    5.4.1 时间固定燃料最优鲁棒非线性二体最优交会  119-122
    5.4.2 考虑偏差的非线性二体多目标最优交会规划  122-123
  5.5 小结  123-124
第六章实时交会路径规划  124-134
  6.1 自主交会Lambert制导算法  124-127
    6.1.1 终端控制Lambert制导算法  124-125
    6.1.2 轨迹控制Lambert制导算法  125-126
    6.1.3 算例及分析  126-127
  6.2 调相轨道机动实时规划  127-131
    6.2.1 特殊点变轨实时规划算法  127-128
    6.2.2 综合变轨实时规划算法  128-129
    6.2.3 控制模拟仿真过程  129-130
    6.2.4 算例及分析  130-131
  6.3 交会路径规划软件  131-133
  6.4 小结  133-134
结束语  134-138
  论文主要研究成果  134-136
  进一步的工作展望  136-138
致谢  138-140
参考文献  140-149
作者简历及在学期间取得的学术成果  149-152
附录近圆偏差交会方程  152-154

空间最优交会路径规划策略研究

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