空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)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(zhǎng)期在軌運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵技術(shù)，有助于提高空間站運(yùn)營(yíng)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(yíng)費(fèi)用。本文以我國(guó)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(zhǎng)期在軌運(yùn)營(yíng)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(zhǎng)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(huì)對(duì)接和組合體飛行等多個(gè)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(duì)地觀測(cè)瞄準(zhǔn)和載人飛船返回調(diào)整等多個(gè)任務(wù)軌道機(jī)動(dòng)的非線性兩層規(guī)劃模型。2）提出了解析計(jì)算公式與攝動(dòng)軌道積分相結(jié)合的打靶迭代策略，作為兩個(gè)下層優(yōu)化問題處理機(jī)動(dòng)沖量的快速求解方法；并分別采用單純形法和遺傳算法對(duì)兩個(gè)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(dòng)衰減規(guī)律及綜合考慮不同飛行階段對(duì)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(dòng)對(duì)空間站軌道特性的相互影響，獲得滿足復(fù)雜工程實(shí)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(jì)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(píng)價(jià)空間站應(yīng)用效益和運(yùn)營(yíng)魯棒性的指標(biāo)。2）分別以每個(gè)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(gè)評(píng)價(jià)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(shí)間對(duì)

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(shì)，且應(yīng)用效益和運(yùn)營(yíng)魯棒性兩類指標(biāo)具有此消彼長(zhǎng)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(yíng)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(dòng)、航天員駐留、貨運(yùn)飛船補(bǔ)給、載人飛船訪問等多個(gè)任務(wù)之間復(fù)雜約束的在軌運(yùn)營(yíng)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(yíng)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(duì)在軌運(yùn)營(yíng)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(duì)應(yīng)用效益與運(yùn)營(yíng)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(gè)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(jì)人員特定評(píng)價(jià)偏好的任務(wù)方案，可為空間站工程任務(wù)方案設(shè)計(jì)提供有效的解決方法。

6、>　　提出了空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)任務(wù)方案離散事件仿真方法。1）針對(duì)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(shí)完成頻率等不確定性統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)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(shí)間和在軌物資的最低儲(chǔ)備值，載人飛船訪問延遲通常會(huì)造成航天員在

7、軌駐留時(shí)間超過輪換周期而帶來健康威脅，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該準(zhǔn)備好應(yīng)急預(yù)案以應(yīng)對(duì)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(huì)導(dǎo)致空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)方案不能按時(shí)完成。
　　論文緊密結(jié)合我國(guó)空間站工程實(shí)際，開展了面向長(zhǎng)期在軌運(yùn)營(yíng)的總體層面任務(wù)規(guī)劃與仿真研究，研究成果可為我國(guó)將來空間站的運(yùn)營(yíng)管理提供技術(shù)支持，具有較重要的工程實(shí)踐價(jià)值。同時(shí)，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)