空間站長期運(yùn)營總體任務(wù)規(guī)劃與仿真方法.pdf

1、任務(wù)規(guī)劃是保障空間站長期在軌運(yùn)營的關(guān)鍵技術(shù)，有助于提高空間站運(yùn)營安全性和魯棒性、更多地發(fā)揮空間應(yīng)用效益、減少運(yùn)營費(fèi)用。本文以我國空間站工程為背景，研究了飛行軌道方案優(yōu)化、后勤補(bǔ)給策略優(yōu)化、多任務(wù)綜合規(guī)劃和任務(wù)方案仿真等面向長期在軌運(yùn)營的總體層面規(guī)劃與仿真問題。主要研究成果如下：
　　提出了空間站長期飛行軌道方案兩層規(guī)劃高效求解方法。1）分別建立了綜合規(guī)劃自主飛行、交會對接和組合體飛行等多個階段軌道高度，及綜合規(guī)劃目標(biāo)調(diào)相、軌道維持

2、、軌道抬升、對地觀測瞄準(zhǔn)和載人飛船返回調(diào)整等多個任務(wù)軌道機(jī)動的非線性兩層規(guī)劃模型。2）提出了解析計算公式與攝動軌道積分相結(jié)合的打靶迭代策略，作為兩個下層優(yōu)化問題處理機(jī)動沖量的快速求解方法；并分別采用單純形法和遺傳算法對兩個上層優(yōu)化問題尋優(yōu)。3）仿真結(jié)果表明：提出的方法有助于利用大氣攝動衰減規(guī)律及綜合考慮不同飛行階段對軌道高度選擇的影響，有助于綜合考慮不同飛行任務(wù)軌道機(jī)動對空間站軌道特性的相互影響，獲得滿足復(fù)雜工程實際約束的推進(jìn)劑優(yōu)化解。

3、
　　提出了空間站后勤補(bǔ)給策略單目標(biāo)與多目標(biāo)優(yōu)化方法。1）建立了統(tǒng)籌設(shè)計多艘貨運(yùn)飛船補(bǔ)給方案的非線性規(guī)劃模型，從后勤補(bǔ)給的角度提出了總應(yīng)用能力、平均應(yīng)用能力、后勤補(bǔ)給魯棒性和補(bǔ)給飛行獨(dú)立性等評價空間站應(yīng)用效益和運(yùn)營魯棒性的指標(biāo)。2）分別以每個指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化，采用遺傳算法尋優(yōu)；考慮不同指標(biāo)之間的相互影響，綜合四個評價指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，采用結(jié)合物理規(guī)劃與遺傳算法的方法尋優(yōu)。3）仿真結(jié)果表明：貨運(yùn)飛船載貨單和發(fā)射時間對

4、于后勤補(bǔ)給策略均具有重要影響，優(yōu)化平均應(yīng)用能力比優(yōu)化總應(yīng)用能力可以更好地發(fā)揮空間站的應(yīng)用效益，后勤補(bǔ)給魯棒性和補(bǔ)給飛行獨(dú)立性具有相反的變化趨勢，且應(yīng)用效益和運(yùn)營魯棒性兩類指標(biāo)具有此消彼長的關(guān)系；多目標(biāo)優(yōu)化相比單目標(biāo)優(yōu)化可以得到應(yīng)用效益和運(yùn)營魯棒性均較高的后勤補(bǔ)給策略。
　　提出了空間站多任務(wù)分層多目標(biāo)綜合規(guī)劃方法。1）建立了處理維護(hù)維修、載荷應(yīng)用、軌道機(jī)動、航天員駐留、貨運(yùn)飛船補(bǔ)給、載人飛船訪問等多個任務(wù)之間復(fù)雜約束的在軌運(yùn)營與后

5、勤支持任務(wù)綜合規(guī)劃模型，并建立了兼顧效益和費(fèi)用的應(yīng)用效益與運(yùn)營費(fèi)用綜合優(yōu)化模型。2）采用分層規(guī)劃的約束滿足策略對在軌運(yùn)營與后勤支持任務(wù)綜合規(guī)劃問題進(jìn)行求解，采用結(jié)合物理規(guī)劃與混合整數(shù)遺傳算法的方法對應(yīng)用效益與運(yùn)營費(fèi)用綜合優(yōu)化問題尋優(yōu)。3）仿真結(jié)果表明：提出的方法有助于處理多個任務(wù)的相互約束、獲得滿足約束的任務(wù)方案，有助于權(quán)衡效益與費(fèi)用之間的沖突、獲得反映設(shè)計人員特定評價偏好的任務(wù)方案，可為空間站工程任務(wù)方案設(shè)計提供有效的解決方法。

6、>　　提出了空間站長期運(yùn)營任務(wù)方案離散事件仿真方法。1）針對飛船發(fā)射延遲、空間站嚴(yán)重故障和航天員健康威脅發(fā)生的隨機(jī)特性，提出了貨運(yùn)飛船發(fā)射延遲頻率、載人飛船發(fā)射延遲頻率、空間站嚴(yán)重故障發(fā)生頻率、航天員健康威脅發(fā)生頻率和任務(wù)方案未按時完成頻率等不確定性統(tǒng)計評價指標(biāo)。2）建立標(biāo)稱和不確定性任務(wù)方案的離散事件仿真模型，仿真結(jié)果表明：貨運(yùn)飛船補(bǔ)給延遲是否造成站上物資消耗不足取決于延遲時間和在軌物資的最低儲備值，載人飛船訪問延遲通常會造成航天員在

7、軌駐留時間超過輪換周期而帶來健康威脅，設(shè)計人員應(yīng)該準(zhǔn)備好應(yīng)急預(yù)案以應(yīng)對空間站嚴(yán)重故障和航天員健康威脅等在軌危急事故的隨機(jī)發(fā)生，飛船發(fā)射延遲的隨機(jī)性可能會導(dǎo)致空間站運(yùn)營任務(wù)方案不能按時完成。
　　論文緊密結(jié)合我國空間站工程實際，開展了面向長期在軌運(yùn)營的總體層面任務(wù)規(guī)劃與仿真研究，研究成果可為我國將來空間站的運(yùn)營管理提供技術(shù)支持，具有較重要的工程實踐價值。同時，論文從工程問題中提煉總體任務(wù)規(guī)劃問題的特性、抽象數(shù)學(xué)規(guī)劃模型、提出有效的規(guī)