基于智能优化算法的转移轨道优化设计

摘要

在当今世界，航天事业是衡量一个国家科技水平的重要标志。航天事业的发展是复杂而又艰难的，它涉及的领域几乎遍布各个行业范围，越来越受到广泛的关注。空间交会技术与天地往返技术、太空行走技术并列为载人航天三大重要技术，由此可见其在航天技术之中的重要性。尽管各国已经多次完成了交会对接任务，然而由于其本身的复杂性和高风险的本质，尚不能说这项技术已经成熟。另外由于航天事业的高成本、高消耗，如何设计变轨过程以达到节省燃料和减少转移时间等目的也是很值得研究和探讨的。
　　本文针对航天交会理论的Lambert问题进行了详细阐述。同时，根据航天器的轨道根数和速度及位置矢量在地球惯性坐标系下进行轨道建模，分别采用枚举法、遗传算法和和声搜索算法三种智能优化算法对轨道进行优化设计，对三种不同前提进行了深入研究，主要研究内容包括以下几个方面。
　　首先，建立轨道优化问题的数学模型及目标和飞行器的动力学模型。为清晰描述航天器交会过程，首先介绍了卫星的二体问题、轨道根数等基础知识。并建立了轨道根数和速度矢量及位置矢量的转换式，为后续的Lambert问题分析及轨道优化设计奠定基础。
　　其次，针对航天交会中的异面转移Lambert问题，分别采取三种方法：半长轴迭代的二分法、Battin-Vaughan算法和曲线交点提取法求解Lambert问题。阐述了三种算法的核心思想和求解步骤。利用两个算例仿真验证了三种算法的有效性，并对三种算法的效率和精确性进行了比较分析得出结论。
　　最后，对转移轨道优化问题依次从参数的选取、目标函数的定义、约束条件的分析、优化算法的选择四个方面依次展开。首先分析空间约束条件，分别研究真近点角和转移时间对燃料消耗的影响。分别以燃料消耗和转移时间为优化指标对转移轨道交会系统进行单目标和多目标优化设计。分别采用枚举法、遗传算法和和声搜索算法作为主要优化方法，阐述三种方法的核心思想和设计思路，结合过程约束，对三种优化算法仿真验证了准确性，并对三种方法进行了比较研究，为异面椭圆的转移轨道优化设计提供参考和决策依据。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3主要研究内容

第2章 转移轨道的建模基础

2.1引言

2.2空间坐标系

2.3二体问题研究

2.4轨道根数与速度矢量和位置矢量的相互转换

2.5本章小结

第3章 异面转移的Lambert问题

3.1引言

3.2 Lambert问题

3.3 Lambert问题求解

3.4速度矢量

3.5算例

3.6本章小结

第4章 轨道优化问题

4.1引言

4.2空间约束条件

4.3真近点角及转移时间对燃料消耗的影响

4.4基于遗传算法的轨道优化问题

4.5仿真算例

4.6本章小结

第5章 基于和声搜索算法的轨道优化问题

5.1引言

5.2和声搜索算法概述及应用

5.3算例分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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