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卫星轨道控制与轨道确定算法研究

作　者: 王石
导　师: 戴金海
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 进化算法轨道控制模糊控制轨道确定半参数回归小波变换
分类号: P173.1
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
下　载: 1786次
引　用: 8次
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内容摘要

随着航天任务需求的多样化和复杂化，卫星的轨道控制和轨道确定提出了新的要求。经典的轨道控制和轨道确定方法有时无法满足这些要求。本文是基于这些新的要求对轨道控制和轨道确定算法进行了研究。传统的轨道控制一般基于两种方法，一种是代数优化方法，这种方法与卫星的轨道几何特性相结合进行分析，将轨道的几何特性和优化指标用代数方程的形式表示出来进行求解，这种方法主要用于冲量式控制。但在多指标的要求下，这种方法难以求得最优解；另一种方法是应用Pontryagin最大值原理解决有限推力最优控制问题，但对复杂的或者含有不确定因素的系统往往难以奏效。本文用智能控制的方法来解决轨道控制中某些用经典控制难以求解的问题：用进化算法解决轨道转移的时间-能量优化问题，用模糊控制方法解决相对运动方程有限推力控制问题。本文首先对一般的进化算法进行了研究，对SPEA方法(一种多目标进化算法)进行了改进：引入多体交叉和Cauchy变异来代替两体交叉和正态变异，并对SPEA进行了收敛性分析。然后分别用一般的进化算法和改进的SPEA方法解决轨道转移的时间-能量优化问题，对于相对运动方程有限推力控制问题，本文用模糊控制的方法加以解决。轨道确定的传统估计算法是最小二乘算法和Kalman滤波。当观测数据含有非线性因素时，它们的估计性能比较差，而这些非线性因素在实际当中往往是不可避免的。本文提出的半参数回归方法较好的解决了上述问题，并给出了相应的算法：这是一种线性估计和非线性估计相互迭代的方法，线性估计是最小二乘法，而非线性估计是基于小波对残差去噪的方法。本文提出的这种算法比经典的最小二乘算法或Kalman滤波方法具有更高的定轨精度，仿真数据和实际观测数据的计算结果证实了算法的有效性。

全文目录

中文摘要  4-5
英文摘要  5-6
第一章绪论  6-16
  §1．1 卫星轨道控制和卫星轨道确定的发展概况  6-8
  §1．2 国内外研究现状及存在的问题  8-10
  §1．3 本文的主要内容和结果  10-16
第二章进化算法和多目标优化  16-45
  §2．1 进化算法  16-32
    2．1．1 进化算法的产生、发展及其与传统优化算法相比的优势  16-19
    2．1．2 进化算法的设计  19-28
    2．1．3 进化算法的理论分析  28-32
  §2．2 改进的SPEA  32-40
    2．2．1 引言  32-35
    2．2．2 改进的SPEA及算法的收敛性分析  35-38
    2．2．3 算例分析  38-39
    2．2．4 结论  39-40
  §2．3 小结  40-45
第三章轨道转移的冲量控制和相对运动的有限推力控制  45-79
  §3．1 概述  45-49
  §3．2 用进化算法求解轨道转移的时间-能量优化问题  49-55
    3．2．1 优化模型的建立  49-51
    3．2．2 用进化算法求解轨道转移的组合优化问题  51-53
    3．2．3 用Pareto排序法求解轨道转移的组合优化问题  53-54
    3．2．4 加权法和Pareto排序法的比较  54-55
    3．2．5 结论  55
  §3．3 用经典的优化方法和进化算法相结合求解轨道保持问题  55-62
    3．3．1 优化模型的建立  56-58
    3．3．2 算法设计  58-60
    3．3．3 计算结果分析  60-61
    3．3．4 结论和进一步的讨论  61-62
  §3．4 相对运动小推力的模糊控制  62-73
    3．4．1 问题的数学模型及解决方案  62-64
    3．4．2 模糊控制器的设计  64-67
    3．4．3 仿真结果分析  67-70
    3．4．4 仿真结果对比  70-73
    3．4．5 结论  73
  §3．5 小结  73-79
第四章轨道确定算法研究  79-115
  §4．1 轨道确定研究的历史、现状及新算法的引出  79-84
  §4．2 卫星初始轨道的确定  84-88
    4．2．1 初始轨道的确定  84
    4．2．2 基于EA-SA方法进行初始轨道的确定  84-88
    4．2．3 计算结果的讨论  88
  §4．3 基于半参数回归的卫星轨道确定方法  88-93
    4．3．1 观测方程  88-89
    4．3．2 状态方程  89-90
    4．3．3 经典的最小二乘和Kalman滤波  90
    4．3．4 基于半参数回归模型的轨道估计算法  90-92
    4．3．5 基于半参数回归模型的轨道估计算法的精度分析  92-93
  §4．4 用小波方法对残差进行去噪处理  93-103
    4．4．1 小波变换及多分辨分析  93-97
    4．4．2 Mallat算法  97-98
    4．4．3 基于小波去噪的方法对残差进行分析  98-100
    4．4．4 计算结果分析  100-103
  §4．5 基于半参数模型轨道确定计算结果与分析  103-107
    4．5．1 采用仿真观测数据的定轨计算结果  103-106
    4．5．2 采用卫星的实际观测数据定轨  106-107
  §4．6 本章小结  107-115
第五章总结与结论、未来工作的设想  115-118
  §5．1 总结与结论  115-116
  §5．2 未来工作的设想  116-118
致谢  118-119
附录A  119-120
附录B  120-123
附录C  123-128

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