航天器轨道追逃动力学与控制问题研究综述

随着航天器交会与接近操作技术的快速发展,轨道追逃问题逐渐成为航天领域的研究热点。从动力学与控制视角,对航天器轨道追逃问题的研究现状进行综述。给出了基于定量微分对策的轨道追逃问题模型的一般形式,系统梳理了各种类型的轨道追逃问题;对于追逃策略求解,分别针对闭环策略和开环策略,分析了各种方法的优缺点;围绕人工智能算法与轨道追逃问题的结合,阐述了基于深度神经网络和强化学习的轨道追逃策略的研究现状。关于未来展望,提出了追逃博弈态势分析、多航天器博弈控制、三体条件下博弈动力学与控制等发展方向。     

大椭圆轨道航天器编队飞行相对运动分析

大椭圆轨道航天器在较长轨道周期内运行于远地点上空,因而该轨道多应用于卫星通信、天体观测、空间磁场探测等。上述空间任务所需的多航天器协同运动理论亟待解决。利用运动学方法推导了大椭圆轨道编队的相对运动模型,简要证明了实现长期近距离编队的必要条件,分析了相对轨道根数对线性化模型精度及其动力学特性的影响。仿真结果表明,相对运动模型在轨道远地点处精度较高,适当选择相对轨道根数可设计出满足任务要求的编队轨道。     

基于卷积神经网络的卫星网络协调态势评估方法

为充分发掘利用海量卫星网络数据,提高决策效率,加强空间频轨资源获取与储备的分析手段,尤其是对地球静止轨道资源的协调获取问题,提出基于机器学习算法的卫星网络态势评估策略。通过对卫星网络协调因素进行特征分析,选择卷积神经网络(Convolution Neural Network, CNN)为目标算法模型,并建立算法模型的训练数据集及Label规则,采用分裂信息增益度量方法对数据进行降维处理,建立CNN评估模型,并进行了验证分析。结果表明,CNN模型对卫星网络协调态势评估问题测试的正确率高达80%以上,具有较高的评估效能。随着数据量的增多,CNN评估效果逐步提升,是一种在卫星网络协调态势分析、资源储备的有效评估方法。     

双二体几何切面法及天梯地月转移轨道分析

双二体模型是求解地月转移轨道的重要基础。与传统的采用月球影响球入口点经纬度的描述方式不同,本文提出一种基于飞行轨道面参数来描述地月转移轨道的双二体模型几何表达方式,结合一维非线性方程求根算法Brent算法和Lambert原理,将原始三维球面搜索算法降维成为二维圆上的搜索算法,可以高效求解地月转移轨道的形状参数。为避免重复计算,将转移轨道窗口计算的轨道多变量搜索问题解耦分解成两个子问题——转移轨道形状参数求解问题和转移轨道面空间定向问题,降低了问题的求解维度。形成两级并行计算算法,充分发挥多核计算机算力,加速计算过程。仿真结果表明,基于提出的并行圆锥曲线几何切面法,可以成功应用于计算天梯地月转移轨道分析。     

封面

通过求解零初始速度下的无控相对运动距离最小值,分析了圆参考轨道下航天器近距离相对悬停的被动安全特性。航天器相对悬停的被动安全特性可描述为处于受控悬停状态的航天器在控制力消失后的相对运动轨迹与目标禁飞区之间的空交集状态,该问题可转换为求解零初始速度下的相对运动距离最小值。由于初始位置的不同,相对距离最小值点可能位于整数倍周期极小值或非整数倍周期极小值点,通过分析两种类型极小值点的存在条件以及极小值点为最小值点的分界条件得到临界被动安全悬停区域的计算方法。针对典型的相对悬停场景,仿真分析了平面圆和三维球形禁飞区约束下临界安全悬停区域,评估了模型误差和J_2摄动对悬停被动安全特性的影响。该分析方法可为具有被动安全特性的近距离悬停任务设计提供指导。     

空间非合作目标贴近扫描观测的制导方法研究

随着微小卫星技术的不断发展,对目标航天器的近距离观测已成为一类新的航天任务,在空间态势感知、在轨服务等方面具有重要作用和广泛应用前景。针对大型空间非合作目标的近距离扫描观测问题,提出了一种基于改进的人工势场法的制导方法,设计了平行于目标区域表面的引力场函数和垂直于目标区域表面的斥力场函数,由引力场来提供前进的加速度,并满足成像拖影量的约束,由斥力场来处理分辨率和碰撞避免约束。所得到的观测航天器轨迹能够很好地跟随目标区域形状,实现对空间非合作目标区域连续稳定的扫描观测,且所需要的速度增量不大,计算量较小,便于星上执行。     

航天器轨道机动仿真

针对航天器轨道机动问题,研究了航天器的多种轨道机动方式,给出在不同轨道情况下的模型实现及数字仿真.设计了航天器轨道机动消耗的目标函数,建立了能量-时间消耗的混合优化指标,最终得出了航天器在不同约束条件下的轨道机动策略.     

基于Lambert算法的脉冲精确变轨策略

Lambert问题的求解多以二体假设为基础,从而对精确轨道控制带来不利影响.提出了一种脉冲修正策略,建立了考虑摄动影响的航天器轨道动力学计算模型,在Iambert算法基础上,通过拟牛顿法对变轨脉冲进行修正,消除终端状态误差,从而获得精确的变轨脉冲.将该修正策略用于固定时间精确变轨问题,建立了两层规划模型,并通过算例验证了算法的有效性.     

高精度空间非合作式相对轨道状态预报

为了解决接近空间非合作目标过程中的相对导航问题,提出一种基于相对轨道动力学方程和二阶龙格库塔积分公式的高精度空间非合作目标相对轨道预报模型。考虑地球J2摄动加速度,将目标轨道方程在参考轨道附近展开,保留至引力加速度差的二阶展开项,并进一步推导考虑J2摄动的参考轨道角速度和角加速度,建立相对轨道动力学微分方程;在给定相对轨道初值的情况下,采用二阶龙格库塔积分公式进行相对轨道预报。该模型采用数值积分方法,对相对轨道动力学模型形式没有限制,通用性好,适用范围广;选择低阶龙格库塔公式积分预报,既减少了计算量又保证了计算精度。设置高轨和低轨两种相对运动仿真场景,仿真结果表明了模型的通用性和精确性。     

旋转舱体抛罩对其姿态影响的分析

航天器在外罩分离过程中,外罩与航天器本体之间存在相互作用力,会对航天器本体的运动状态产生影响。为探究外罩弹性分离对航天器本体的的影响规律,基于多体动力学理论使用欧拉参数描述刚体姿态,考虑分离时刚体间的相互作用,引入拉格朗日乘子得到含约束方程的多刚体动力学模型。最后,针对建立的动力学模型,采用广义α算法对方程进行时间积分求解,并针对不同工况给出了相应的计算结果。结果表明,在不同初始条件下分离后舱体后续的旋转状态按一定规律变化。     

一种高效的显式模型检验方法

随着软硬件系统规模和功能的不断扩充,状态空间爆炸问题严重影响了模型检验的进一步发展与应用,成为验证大规模系统的瓶颈.在显式模型检验工具Murphi的基础上,针对其可达状态空间组织存在的问题进行改进,提出了基于整型指针与Fibonacci散列的可达状态空间组织方法,实现了一个高效的显式模型检验原型系统,在确保验证正确的同时有效缩短了验证时间,并能在系统规范不可满足的情况下给出反例,有助于系统设计人员快速定位错误.理论分析和实验结果表明了本方法的有效性.     

A search game taking account of attributes of searching resources

This article deals with a two‐person zero‐sum game called a search allocation game (SAG), in which a searcher and a target participate as players. The searcher distributes his searching resources in a search space to detect the target. The effect of resources lasts a certain period of time and extends to some areas at a distance from the resources' dropped points. On the other hand, the target moves around in the search space to evade the searcher. In the history of search games, there has been little research covering the durability and reachability of searching resources. This article proposes two linear programming formulations to solve the SAG with durable and reachable resources, and at the same time provide an optimal strategy of distributing searching resources for the searcher and an optimal moving strategy for the target. Using examples, we will analyze the influences of two attributes of resources on optimal strategies. © 2007 Wiley Periodicals, Inc. Naval Research Logistics 2008     

雷达空间目标识别技术综述

随着人类航天活动的增加,对于卫星和碎片等空间目标进行监视变得非常重要。为了实现空间监视任务,对空间目标进行识别是非常必要的。对空间目标的轨道特性与动力学特性进行了介绍,对雷达空间目标识别技术的研究现状和发展趋势进行了详细的综述。     

采用可达域覆盖的多航天器协同护卫策略

针对高轨高价值目标护卫问题,提出了一种基于可达域覆盖的多航天器协同护卫策略。从相对运动视角对协同护卫任务进行了描述,并将威胁源多脉冲机动可达域问题建模为凸优化问题求解。在滚动优化框架下,根据动态更新的威胁源终端可达域,设计协同护卫平面及护卫点,以此为终端位置约束构建多航天器协同轨迹规划模型,生成相应护卫轨迹。仿真结果表明,所提出的可达域分析方法能够快速计算威胁源终端可达域,协同护卫策略在多个场景下均能有效阻止威胁源,且护卫成功率随护卫航天器机动能力增强而增大。     

航天器交会型轨道追逃策略的滚动时域优化

针对航天器自由时域交会型轨道追逃过程中的测量误差等不确定性对交会的影响,提出了一种基于滚动时域优化的高时效策略求解方法。根据微分对策理论推导得到博弈鞍点控制策略,并对问题进行等价转换;通过预先离线求解开环鞍点策略,将问题初始状态和相应的解作为样本以进行神经网络训练,训练后的网络结构可以快速得到相应问题的近似解。为了更好地应对博弈环境中的测量噪声,基于神经网络结构设计了滚动时域求解框架,并通过周期性的滚动求解最终实现对逃逸航天器的交会。数值仿真表明,所提出的策略可以有效应对测量噪声不确定性,且相比于文献中已有的策略,计算耗时可从分钟级降至秒级。     

空陆攻防博弈的动态武器目标分配

大规模作战具有高动态、非完全信息和不确定性,在分析归纳目前解决动态武器目标分配问题的一系列方法的基础上,尝试构建基于双方动态博弈的攻防对抗综合数学模型,并利用纳什均衡和帕累托最优算法进行分阶段求解。结果表明,该数学模型和博弈论方法结合能够有效解决武器目标动态分配问题。     

基于候选轨迹统计模型的红外弱小点目标检测(英文)

建立候选目标轨迹集合,以候选目标轨迹集合为样本空间,利用沿候选轨迹的能量积分构造此空间上的概率分布,从而建立候选轨迹的概率统计模型.以此模型为基础,设计了一种弱小点目标检测方法.通过蒙特卡罗实验方法调节模型参数,使得算法的检测性能达到所提出的指标.该算法规避了以往算法中需要获得解析形式的候选轨迹密度函数的限制,因此能检测出沿任意方向作直线运动的点目标.最后,针对给定的弱小点目标观测图像序列,利用所提出的算法进行检测,仿真结果证明此算法是有效的.     

A cooperative game in search theory

Search theory originates from the military research efforts of WWII. Most researchers of that period modeled their search games in noncooperative games, where players are enemies or compete against each other. In this article, we deal with a cooperative search game, where multiple searchers behave cooperatively. First we describe several search problems and discuss the possibility of a coalition or cooperation among searchers. For the cooperative search game, we define a function named quasi‐characteristic function, which gives us a criterion similar to the so‐called characteristic function in the general coalition game with transferable utility. The search operation includes a kind of randomness with respect to whether the searchers can detect a target and get the value of the target. We also propose a methodology to divide the obtained target value among members of the coalition taking account of the randomness. As a concrete problem of the cooperative search game, we take the so‐called search allocation game, where searchers distribute their searching resources to detect a target in a cooperative way and the target moves in a search space to evade the searchers. Lastly, we discuss the core of the cooperative search allocation game. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. Naval Research Logistics, 2009