基于自适应遗传算法的航天器快速轨道机动研究

论文摘要

随着我国经济的飞速发展,我国的空间技术发展也进入一个新的阶段:从最初的进入空间和利用空间研究进入到空间操作和空间应用研究阶段,如空间航天器的交会对接、空间营救、空间打击等技术的研究,它们共同的支撑理论为空间轨道机动技术。空间航天器远程导引技术为空间轨道机动的关键,此阶段往往是整个机动中能量消耗最大,时间消耗最长的阶段。一些空间任务如:拦截任务、空间营救,损坏卫星进行检测和修复等要求航天器具备精确指向和迅速机动的能力,即:机动必须在携带燃料一定、规定时间情况下完成。遗传算法只需要设计变量和目标函数值就可以进行计算,具有较强的鲁棒性,已广泛应用于各种工程领域。自适应遗传算法是改进的遗传算法,计算中交叉概率和变异概率随适应度自动改变,使算法在保持群体多样性的同时,保证遗传算法的收敛性,极大的改善了算法的性能。本文利用自适应遗传算法研究了轨道机动远程导引段机动的方法策略以及相应最优的机动轨道。文章首先以空间轨道动力学理论为基础建立了远程冲量轨道机动模型,由空间机动任务对时间的特殊要求,建立了新的以时间和能量加权函数为问题优化目标的轨道机动优化模型。在建立冲量机动模型时同时考虑了有端点滑行等待阶段和无端点滑行等待阶段的冲量轨道机动。利用自适应遗传算法设置了问题的计算程序,通过算例计算出对应不同时间要求的相应的有端点滑行等待和无端点滑行等待轨道机动的不同机动轨道。在发射地球同步卫星或两航天器交会对接时,通常把同步卫星或追踪航天器先发射到一较低的轨道,然后由轨道机动完成最终任务。初始轨道对轨道机动的时间与燃料消耗都有着很大影响的。本文还在研究了时间能量加权最优为目标的冲量轨道机动基础上,把追踪航天器初始轨道半径作为计算模型中的设计变量之一,进行研究计算,即在目标轨道已定时,寻求最优初始轨道和机动轨道完成机动任务。利用自适应遗传算法设置相应的计算程序,通过算例找出任务要求的最优追踪航天器初始轨道和最优机动轨道,验证研究的应用价值和可行性。

论文目录

• 目录
• Catalog
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状和发展
• 1.3 研究意义
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 航天器轨道动力学
• 2.1 引言
• 2.2 轨道方程
• 2.3 轨道形状及特征
• 2.3.1 椭圆和圆轨道
• 2.3.2 抛物线轨道
• 2.3.3 双曲线轨道
• 2.4 轨道描述
• 2.4.1 轨道根数
• 2.4.2 坐标系及其转换关系
• 2.4.3 轨道根数和位置速度矢量关系
• 2.5 轨道动力学
• 2.5.1 开普勒问题
• 2.5.2 Lambert问题
• 2.6 轨道机动技术
• 2.6.1 霍曼机动方式
• 2.6.2 Lambert轨道机动方式
• 2.6.3 双椭圆机动轨道
• 第三章 遗传算法及其应用
• 3.1 遗传算法起源及应用
• 3.1.1 遗传算法的概念
• 3.1.2 遗传算法的特点及应用
• 3.2 遗传算法实现技术
• 3.2.1 构成要素
• 3.2.2 算法设计与实现
• 3.3 自适应遗传算法
• 3.4 程序算例
• 第四章 远程双冲量最优轨道交会
• 4.1 轨道机动模型
• 4.1.1 无等待阶段交会模型
• 4.1.2 有等待阶段交会模型
• 4.2 机动轨道优化目标函数和设计变量
• 4.2.1 目标函数
• 4.2.2 设计变量的确定
• 4.3 算法设置
• 4.3.1 编码
• 4.3.2 适应度函数
• 4.3.3 选择和复制算子
• 4.3.4 交叉算子
• 4.3.5 变异算子
• 4.4 算例
• 4.4.1 无等待阶段轨道机动
• 4.4.2 有等待阶段轨道机动
• 4.5 小结
• 第五章 考虑初始半径的轨道机动
• 5.1 轨道机动模型
• 5.2 模型计算设置
• 5.3 算例
• 5.3.1 算例1
• 5.3.2 算例2
• 5.4 小结
• 第六章 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表