衛(wèi)星編隊飛行自主隊形重構(gòu)方法研究.pdf

1、隊形重構(gòu)是衛(wèi)星編隊飛行的關(guān)鍵技術(shù)之一，自主運行則是衛(wèi)星編隊飛行的發(fā)展趨勢。因此，如何快速規(guī)劃出合理的重構(gòu)路徑，繼而安全有效地完成隊形重構(gòu)所需的機動，對于衛(wèi)星編隊飛行技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。本文以衛(wèi)星編隊飛行的自主隊形重構(gòu)作為研究對象，對其中涉及的實時性、碰撞規(guī)避、燃料均衡以及重規(guī)劃等問題展開了系統(tǒng)深入的研究。主要包括以下幾個方面：
　　針對連續(xù)的隊形重構(gòu)問題，提出了基于Legendre偽譜法的隊形重構(gòu)離散化方法。將各成員衛(wèi)星

2、的狀態(tài)量與控制量在Legendre-Gauss-Lobatto(LGL)點處離散，從而將原隊形重構(gòu)問題轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題。分析了單純使用Legendre偽譜法處理隊形重構(gòu)問題的缺陷，并討論了傳統(tǒng)優(yōu)化方法求解隊形重構(gòu)問題的局限性。
　　使用協(xié)同進化粒子群方法求解離散化后的隊形重構(gòu)問題。根據(jù)隊形重構(gòu)中各衛(wèi)星相對運動模型的特點，設(shè)計了各粒子初始位置的生成方法，保證各粒子每一次進化的位置都能夠滿足衛(wèi)星的動力學(xué)方程約束，從而克服了粒子群優(yōu)

3、化方法對有約束優(yōu)化問題處理能力差、計算時間長的缺點。依據(jù)各衛(wèi)星隊形重構(gòu)軌跡的特性，提出了新的粒子群速度更新公式，使得各粒子在進化過程中能夠迅速收斂到最優(yōu)解附近，從而大大加快了粒子群的優(yōu)化速度。針對Legendre偽譜法在各LGL點之間無法處理碰撞規(guī)避約束的缺點，在可能發(fā)生碰撞的區(qū)域加入了符合高斯分布的測試點，從而保證了整個隊形重構(gòu)過程的安全性。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)衛(wèi)星編隊飛行所具有的分布式的特點，提出了協(xié)同進化粒子群方法，分別賦予每顆衛(wèi)星一

4、個粒子群，使得各衛(wèi)星能夠在獨立優(yōu)化的同時相互交流位置信息，從而避免碰撞的發(fā)生。
　　進一步地，使用博弈論的相關(guān)原理分別從三個方面改進協(xié)同進化粒子群方法。首先，針對協(xié)同進化粒子群方法存在冗余搜索的問題，設(shè)計了動態(tài)深度優(yōu)先搜索方法。該方法在各粒子群初始化和判斷是否碰撞的過程中，能夠迅速有效地找到所有Pareto有效均衡解，極大地提高了大規(guī)模隊形重構(gòu)問題的運算速度，從而保證了隊形重構(gòu)的實時性。其次，考慮衛(wèi)星編隊飛行對燃料均衡的要求，提出

5、了基于協(xié)調(diào)博弈的燃料均衡策略。該策略根據(jù)各衛(wèi)星之前的燃料剩余情況和禮讓次數(shù)，在進化過程中幫助各衛(wèi)星選取合適的路徑，既能夠盡可能地均衡各衛(wèi)星之間的剩余燃料，又能夠避免各衛(wèi)星為了追求平衡而造成的不必要的浪費。最后，針對粒子群中的粒子在進化中可能出現(xiàn)的進化停滯現(xiàn)象，提出了基于納什討價還價解的進化方法。在粒子進化停滯時，該方法能夠在短時間內(nèi)改變粒子的速度更新公式，從而幫助粒子擺脫停滯區(qū)域，加快進化速度。
　　在此基礎(chǔ)上，使用實時重規(guī)劃方法