航天发射安全控制决策的空间信息分析与处理研究

论文摘要

严重的安全威胁。安全控制成为了保障航天发射和地面安全,应对故障的一个主要措施。在实施安全控制的决策中,不仅需要准确可靠地获取、处理和分析火箭当前飞行工作状态等信息,也需要研究空间信息的快速处理,复杂条件下测控设备对飞行弧段的覆盖和飞行航区地面保护区域分析,以及安全控制决策的空间模糊决策等相关问题。论文针对发射飞行安全控制决策支持的需要,以复杂地理约束条件下测控设备最大范围地获取火箭飞行航迹、航迹下的地面保护目标及其地理信息分析和空间安全控制决策为研究背景,利用神经网络、聚类分析、模糊技术和微粒群等人工智能方法,为安控决策支持提供可靠准确的基础地理信息,在山区等复杂地理环境条件下地面测控设备覆盖飞行测控弧段,地理空间信息支持下地面保护目标分析和提取,安全控制策略的空间推理和决策等问题开展了研究。飞行航区空间地理数据是安全控制决策系统的关键支撑信息,论文研究了地理数据误差产生的原因及其影响,利用神经网络在函数逼近上优势,提出了神经网络非线性逼近地理数据误差的校正方法,根据地理数据误差与地理坐标关系的映射特征,设计了基于神经网络的地理数据模型。通过对几何多项式拟合法和神经网络校正法对电子地图数据进行二维校正匹配和比较验证,在相同情况下,神经网络校正法明显优于几何多项式拟合法。为满足航天发射安全控制决策对空间信息处理的实时性要求,论文研究了地理空间数据的栅格化访问处理算法。通过栅格坐标建立了地理坐标与二维数组指针的转化关系,将矢量形式的地理实体的空间和属性信息转换为栅格内容信息,并用二维数组将已转换为栅格内容信息的地理数据进行存储。在此基础上,提出了地理坐标映射为栅格坐标的二维数组指针数据储存访问方法和基于内容-数组指针索引的数据储存访问方法,实现了对基于栅格化地理信息数据的快速存储访问。并通过算法分析和试验,在具有实时密集型的数据条件下,栅格化地理实体的空间和属性信息处理和访问查询方法在运行时间消耗上低于传统方法,满足实时性的要求。针对山区等复杂地理环境中测控设备位置对飞行弧段的覆盖能力问题,论文以基于最大仰视角的点对点通视分析方法基础,提出了一种测控点对可覆盖飞行弧段的快速通视计算方法,为充分利用已有通视分析结果,该方法以测控点为中心点,按照邻域扩散的变邻域方法,逐点分析邻域边界栅格中各栅格点与测控点的通视性,得到测控设备覆盖范围。并针对当前测控设备未能覆盖的火箭飞行轨迹弧段,利用最大仰视角分析算法,得到对以上未能覆盖的火箭飞行轨迹弧段都通视的区域。在该区域中,基于随机微粒群算法,将道路,河流,地形平整度及设备间距离等因素对测控站点选址的影响引入微粒的适应值中,将复杂地理环境约束下的测控选址问题转化为优化问题,实现了以最大覆盖飞行弧段为目的的地理约束条件下的测控设备的选址。论文提出了基于地理信息的地面保护目标空间聚类分析和航区受威胁程度分析方法。通过分析复杂地理环境中不同实体间相互关系,得到大范围地理环境条件约束下的保护城市和重要设施等地面目标空间聚类分析方法。在此础上,利用空间实体模糊表示方法对安控保护区域表示,根据模糊择近原则实现了各个安控保护区域受威胁程度的评价。对航迹影响区域保护目标及其受威胁程度的离线分析,减少了在线安控决策的空间信息计算量。最后,论文研究了航天发射安全控制的空间辅助决策方法。针对火箭飞行航迹下预示落区和安控保护区域具有时变和不确定性等特征,基于模糊九交矩阵和模糊择近原则,研究了空间信息不确定表示和拓扑关系的模糊推理分析方法,实现了面向航天发射安全控制的空间模糊决策。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及问题的提出
• 1.1.1 研究背景及意义
• 1.1.2 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 空间信息分析与处理
• 1.2.2 航天发射安全控制空间决策方法
• 1.3 本文的研究内容
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 章节安排
• 1.4 本章小结
• 2 飞行航区地理空间数据的神经网络校正方法
• 2.1 地理数据校正处理的基本原理
• 2.2 地理数据的多项式校正
• 2.3 地理数据的神经网络校正
• 2.3.1 BP 神经网络处理模型
• 2.3.2 基于神经网络的地理空间数据校正
• 2.4 实验及结果分析
• 2.5 本章小结
• 3 栅格化地理信息快速处理方法
• 3.1 地理信息数据的表示
• 3.1.1 地理实体空间信息的矢量表示方法
• 3.1.2 地理实体属性信息的表示方法
• 3.2 矢量数据的栅格化处理
• 3.2.1 地理实体空间信息的栅格化处理
• 3.2.2 地理实体属性信息的栅格化处理
• 3.2.3 地理实体的栅格化处理流程
• 3.3 飞行航区地理信息的栅格化快速访问与处理
• 3.4 算法分析
• 3.4.1 矢量地理数据的空间查询方法的运行时间分析
• 3.4.2 栅格地理数据的空间查询方法的运行时间分析
• 3.4.3 矢量化和栅格化数据的空间查询方法运行时间比较
• 3.4.4 仿真实验及结果分析
• 3.5 本章小结
• 4 复杂地理环境约束下测控设备对火箭飞行弧段的覆盖研究
• 4.1 基于最大仰视角的通视范围计算方法
• 4.1.1 基于最大仰视角的点对点通视分析方法
• 4.1.2 基于最大仰视角的通视范围计算方法
• 4.2 基于最大仰视角算法的测控设备覆盖范围计算方法
• 4.2.1 测控设备覆盖范围计算方法
• 4.2.2 测控设备对火箭飞行轨迹的覆盖范围研究
• 4.2.3 测控设备覆盖范围的栅格化处理
• 4.3 基于随机微粒群算法的复杂地理条件下测控设备选址研究
• 4.3.1 选址区域的确定
• 4.3.2 微粒群算法
• 4.3.3 复杂地理条件下的选址因素研究
• 4.3.4 基于随机微粒群算法的复杂地理条件下测控设备选址算法
• 4.3.5 算法仿真
• 4.4 本章小结
• 5 复杂地理条件下飞行航区的地面安控保护区域分析
• 5.1 基于理论飞行弹道数据的安控保护参考区域的确定
• 5.2 基于K 均值聚类的复杂地理条件下安控保护区域划分
• 5.2.1 K 均值聚类方法
• 5.2.2 复杂地理条件的表示
• 5.2.3 复杂地理条件下的地面保护目标K 均值聚类分析
• 5.2.4 基于聚类结果的复杂地理条件下安控保护区域划分
• 5.3 安控保护区域的受威胁程度分析
• 5.3.1 地面保护目标受威胁程度分析
• 5.3.2 安控保护区域受威胁程度分析
• 5.4 本章小结
• 6 面向安全控制的空间推理
• 6.1 基于产生式规则的安控推理决策
• 6.1.1 产生式规则表示方法
• 6.1.2 基于知识规则的安控推理决策
• 6.2 航天器安全控制的多级模糊决策推理
• 6.2.1 空间关系的模糊表示与推理
• 6.2.2 面向安全控制的空间模糊推理决策
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要贡献与特色
• 7.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间获奖情况
• C. 作者在攻读学位期间专利申请及授权情况