拦截卫星轨道优化和控制方法研究

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1、硕士学位论文拦截卫星轨道优化和控制方法研究RESEARCHONORBITOPTIMIZATIONANDCONTROLOFINTERCEPTSATELLITE史明明哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：448.2学校代码：10213国际图书分类号：629.78密级：公开工学硕士学位论文拦截卫星轨道优化和控制方法研究硕士研究生：史明明导师：孙兆伟教授申请学位：工学硕士学科：飞行器设计所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V448.2U.D.C:629.78Dissertati

2、onfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONORBITALOPTIMIZATIONANDCONTROLOFINTERCEPTINGSATELLITECandidate：ShiMingmingSupervisor：Prof.SunZhaoweiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：SpacecraftDesignAffiliation：ResearchCenterofSatelliteTech.DateofDefense：June

3、,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要当前空间技术发展迅速，并在国民的经济，生活和军事中扮演着重要角色，空间攻防技术的研究对国家空间资源的保护具有重要意义。本文对空间拦截中的一种重要方式，反卫星拦截的轨道优化和控制进行了研究，主要内容包括以下几点：针对精确动力学远程多脉冲拦截问题，建立了含有多种摄动项的拦截动力学方程，首先忽略摄动项，采用可行解迭代方法，将拦截末端约束和交会角约束包含在目标函数中，得到了含有约束处理项的燃料

4、优化问题。对布谷鸟算法进行改进，利用该算法搜索得到该优化问题的全局解初值。再使用非线性规划算法优化的到燃料最优时的脉冲矢量。通过仿真验证了修改的布谷鸟算法的有效性。针对J2项摄动作用下拦截卫星和目标都采用连续小推力机动时的双边最优控制问题，建立含有J2项摄动时大地坐标系下空间飞行器的动力学方程，基于哈密顿函数得到了微分对策鞍点解时两星的最优控制输出。将双边最优控制问题转化为两点边值问题。针对该情况下两点边值的多解性和初值难以获取问题，采用启发式算法和非线性规划算法混合求解的方法获得精确解。对于控制角受限的情况，从二维平面拦截入手，得到了两星

5、的最优推力角，并在三维情况中，利用几何方法得到了此时鞍点解对应的控制策略。仿真说明了该方法可以解决该类问题。在拦截末段我方卫星和目标同时机动时的追踪逃逸问题中，基于虚拟轨道给出了末端拦截的轨道方程。采用微分对策理论研究了拦截逃逸过程中双边最优的控制策略。对于无限时间拦截逃逸问题，将问题转化为代数黎卡提方程的求解，给出了两星控制输出不受幅值限制时的最优反馈控制和受到幅值限制时的次优控制策略。而针对有限时间控制问题，研究得到推力幅值限制时的次优反馈控制律。根据零控脱靶量导数与两星的控制输出的关系，得到最优反馈控制律，给出了拦截卫星减少燃料消耗时

6、的反馈策略，仿真分析了上述方法的优缺点。在零控脱靶量的基础上，研究了多星合作时拦截卫星多目标函数反馈控制策略和单一目标合作时的反馈控制策略。对于拦截防御场景，在考虑防御卫星作用时间较短的情况下，构造包含防御卫星和目标卫星零控脱靶量的目标函数，利用极值条件得到反馈控制策略。通过分析防御卫星的攻击时间，利用几何方法，得到了拦截卫星对防御卫星躲避的同时进行目标追踪的最优控制方法。仿真分析了合作拦截的可靠性，快速性和防御卫星存在时拦截卫星反馈控制策略的优越性。关键词：改进布谷鸟算法；微分对策；J2摄动项；零控脱靶量；合作对抗哈尔滨工业大学工学硕士学

7、位论文AbstractSpacetechnologydevelopsrapidlyandplaysignificantroleinpeople’economy,lifeandmilitaryactivity.Researchofspaceattackinganddefendingtechnologymakesgreatsensetocountry’souterspaceresource.Thisdissertationstudiedtheorbitoptimizationandcontroloftheinterceptingsatellit

8、ewhichisanimportantmethodofthespaceinterception.Inthemultipleimpulsiveinterceptionproblem