基于MOGA的HXMT天文卫星巡天扫描智能规划模型

论文摘要

从上世纪至今,国际上已发射的天文卫星有100多颗,覆盖的能量范围从微波直到超高能γ射线(约500MeV),取得了大量的观测研究成果。由于成像技术方面的困难,处于20千电子伏至300千电子伏(20keV～300keV)的硬X射线巡天观测基本属于空白。天体物理学家注意到,这个能区的高灵敏度巡天观测恰恰是了解天体高能物理过程的关键手段。HXMT(硬X射线调制望远镜)天文卫星是我国自主研发的第一颗天文卫星,它正是针对硬X射线能区的。因此,它可以说是我国高能天体物理的一个里程碑。关于巡天扫描观测的规划模型,国内外的研究非常少,没有现成的经验可遵循。本文以HXMT天文卫星的巡天扫描观测模式为研究对象,针对其卫星需求,建立了针对天球星象点轨迹的智能规划模型。该模型利用轨道面进动和轨道运动相结合的方法,并且通过对扫描任务的智能控制,来实现对天球的扫描。这种观测方式最大的优点是极大地简化了飞行任务,不需要在巡天扫描期间对飞行器进行主动控制,只要规划好飞行任务,做好姿态调整,仅依靠轨道面进动和轨道运动就能完成巡天扫描。本文提出的智能规划模型是基于多目标遗传算法的,它在不增加姿态机动模式的基础上,有效的解决了能源输出问题,在能源输出和姿态机动上取得了很好的均衡,并实现了对除天冠之外的天球的均匀扫描。本文针对HXMT天文卫星智能规划模型的特点,还提出了一种新的编码方式——准三维实值编码方式,这种编码方式完整的描述了HXMT天文卫星巡天扫描期间所携带的信息,并且大大地节约了试验时间。HXMT天文卫星的巡天扫描智能规划模型完全自主研发,它是HXMT天文卫星的深度成像观测、高灵敏度连续观测等后期任务的基础,也为以后天文卫星的巡天扫描打下坚实的基础,同时为以后解决航天领域的多目标优化问题以及任务规划问题提出一个新的思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 课题意义和背景
• 1.1 引言
• 1.2 背景和意义
• 1.3 卫星巡天扫描运行方式的研究现状
• 1.3.1 NASA 提出的巡天扫描运行方式
• 1.3.2 国内学者提出的巡天扫描运行方式
• 1.3.3 传统扫描方法的瓶颈
• 1.4 本文主要解决的问题及内容安排
• 1.4.1 本文主要解决的问题
• 1.4.2 本文的内容安排
• 第二章 HXMT 天文卫星
• 2.1 卫星任务
• 2.2 任务分析
• 2.2.1 有效载荷
• 2.2.2 轨道分析
• 2.3 巡天扫描时间
• 2.4 HXMT 天文卫星巡天扫描任务
• 2.4.1 分段式巡天扫描
• 2.4.2 能源状况分析
• 第三章 HXMT 天文卫星巡天扫描与遗传算法的结合
• 3.1 问题的提出
• 3.1.1 数学模型
• 3.1.2 优化问题
• 3.2 遗传算法概述
• 3.2.1 遗传算法的基本思想
• 3.2.2 遗传算法的特点
• 3.2.3 遗传算法的应用情况
• 3.2.4 遗传算法的求解过程
• 3.3 基于GA 的多目标优化问题求解方法
• 3.4 多目标遗传算法与运控模式结合的优越性
• 第四章 HXMT 天文卫星巡天扫描智能控制模型的设计
• 4.1 设计中的关键问题
• 4.2 算法流程
• 4.3 编码
• 4.4 群体设定
• 4.4.1 初始群体设定
• 4.4.2 群体规模
• 4.5 建立线形规划模型和计算PARETO 秩级
• 4.5.1 建立线性化模型
• 4.5.2 计算Pareto 秩级
• 4.6 个体适应度评价
• 4.6.1 归一化距离
• 4.6.2 共享函数
• 4.6.3 共享适应度
• 4.7 遗传操作
• 4.7.1 杰出个体保留机制
• 4.7.2 选择
• 4.7.3 交叉
• 4.7.4 变异
• 第五章 试验结果以及讨论
• 5.1 仿真结果
• 5.2 试验结果分析
• 第六章 总结
• 6.1 本文研究内容
• 6.2 创新点
• 6.3 进一步的研究设想
• 6.4 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢