航天器在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究.pdf

1、“在軌服務(wù)”技術(shù)由于其顯著的經(jīng)濟(jì)價值和潛在的軍事應(yīng)用，已成為航天領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃，即研究如何統(tǒng)籌安排所有在軌服務(wù)資源，在最大化滿足用戶需求以及資源充分利用的條件下，制定出最佳的服務(wù)航天器任務(wù)執(zhí)行預(yù)案。針對在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃問題，本文以建立一套系統(tǒng)的建模與優(yōu)化方法為目標(biāo)，深入研究了在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃模型建模方法，及其在典型任務(wù)中的應(yīng)用與改進(jìn)。全文主要研究成果如下：
　　1、提出了具有一定通用性的在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃模型—

2、—HOC任務(wù)規(guī)劃模型。
　　通過對在軌服務(wù)任務(wù)一般流程的分析與總結(jié)，指出在軌服務(wù)任務(wù)本質(zhì)上是一個多空間目標(biāo)交會任務(wù)，其一般流程不外乎是空間交會和在軌操作的組合。隨后基于混雜優(yōu)化理論建立了多空間目標(biāo)交會問題的HOC任務(wù)規(guī)劃模型，模型對于“一對多”以及多數(shù)“多對多”模式的在軌服務(wù)問題具有很好的適用性。
　　2、針對空間碎片清理任務(wù)，提出了一套系統(tǒng)的建模與優(yōu)化方法，可解決LEO與GEO空間碎片清理任務(wù)規(guī)劃問題。
　?。?）提

3、出了LEO空間碎片清理任務(wù)規(guī)劃算法?？紤]攝動、測控等多個復(fù)雜約束，針對LEO空間碎片清理任務(wù)的需求與特點，建立了HOC任務(wù)規(guī)劃模型，提出了能夠有效處理復(fù)雜約束的優(yōu)化算法。通過仿真算例驗證了方法的有效性，并總結(jié)出了很多有益結(jié)論，可為任務(wù)的實際應(yīng)用提供有益參考。
　?。?）提出了針對GEO空間碎片清理的快速任務(wù)規(guī)劃算法。針對共面GEO空間碎片清理任務(wù)的需求與特點，探究了碎片分布與最優(yōu)任務(wù)序列的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，得出結(jié)論：該空間任務(wù)的最優(yōu)任務(wù)序

4、列是若干逆序排列的目標(biāo)集的組合，且各個目標(biāo)集中相鄰兩個目標(biāo)的相位差總是大于某個閾值?；谶@個規(guī)律，提出了一套快速規(guī)劃算法，可以在較短時間內(nèi)獲取較為優(yōu)化的碎片清理方案。
　　（3）提出了多服務(wù)航天器多優(yōu)化目標(biāo)的GEO空間碎片清理任務(wù)規(guī)劃方法。考慮GEO碎片軌道面的差異，以飛行時間和推進(jìn)劑消耗為優(yōu)化目標(biāo)，建立了多目標(biāo)HOC優(yōu)化模型，并提出了與之適應(yīng)的求解算法。通過對不同場景的任務(wù)進(jìn)行分析與對比，得出結(jié)論：對于一個確定的任務(wù)，到底哪個任

5、務(wù)模式（單服務(wù)航天器或多服務(wù)航天器）更好，不能一概而論，其取決于多個因素。
　　3、針對在軌加注任務(wù)，提出了一套系統(tǒng)的建模與優(yōu)化方法，可應(yīng)用于P2P、“一對多”和混合模式的在軌加注任務(wù)規(guī)劃問題中。
　?。?）提出了P2P在軌加注任務(wù)規(guī)劃方法?！癙2P”即衛(wèi)星間“一對一”進(jìn)行相互補給。考慮測控約束，以圓軌道衛(wèi)星群P2P在軌加注為任務(wù)背景，提出了數(shù)學(xué)規(guī)劃模型和雙層解耦求解策略。上層任務(wù)分配忽略軌道轉(zhuǎn)移的推進(jìn)劑消耗，僅以推進(jìn)劑均衡

6、為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。下層時間分配被視為“一對一”空間交會的優(yōu)化問題，以推進(jìn)劑消耗最小為優(yōu)化目標(biāo)。仿真實驗證明了算法的有效性。
　?。?）提出了復(fù)雜約束下多階段空間交會任務(wù)規(guī)劃方法，并應(yīng)用于P2P在軌加注任務(wù)規(guī)劃中。針對標(biāo)稱的空間交會任務(wù)，將多個交會階段看作一個整體，綜合考慮通信時間窗、光照等復(fù)雜約束，建立多階段空間交會的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，提出兩階段規(guī)劃策略。上層規(guī)劃利用二體模型求解出滿足復(fù)雜約束的粗粒度交會路徑，下層規(guī)劃利用高精度模型

7、進(jìn)行修正。最后將該成果應(yīng)用于P2P在軌加注任務(wù)中。
　　（3）提出了目標(biāo)不確定的GEO衛(wèi)星群“一對多”在軌加注任務(wù)規(guī)劃方法?？紤]目標(biāo)數(shù)量、任務(wù)等級、推進(jìn)劑消耗三個優(yōu)化目標(biāo)，針對服務(wù)目標(biāo)數(shù)量未知的“一對多”在軌加注任務(wù)規(guī)劃問題，建立了HOC多目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃模型，并提出了對應(yīng)的求解方法。仿真分析證明：本文提出的方法可以有效求解該任務(wù)規(guī)劃問題；優(yōu)化目標(biāo)側(cè)重點的不同、目標(biāo)衛(wèi)星分布的不同，都會對優(yōu)化結(jié)果有影響，且這些影響是有規(guī)律可尋的。

8、>　　（4）提出了混合模式下GEO衛(wèi)星群的在軌加注任務(wù)規(guī)劃方法。假設(shè)服務(wù)航天器只能逐次對部分目標(biāo)衛(wèi)星進(jìn)行在軌加注，剩下的待加注衛(wèi)星由已被加注的衛(wèi)星提供后續(xù)的在軌加注操作。以HOC規(guī)劃模型為基礎(chǔ)建立了混合模式下的在軌加注任務(wù)規(guī)劃模型，并提出了對應(yīng)的求解算法。通過仿真實驗驗證了上述模型與算法的有效性，并分析對比了“一對多”、“多對多”和混合模式的優(yōu)劣與適用范圍。
　　總之，論文對航天器在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了具有一定