面向空间攻防的攻击轨道优化技术研究

摘要

空间技术的发展极为迅速，在现代化战争中空间平台的作用愈来愈显著。各国都在大力地研发空间技术和空间武器，以提高本国在信息化战争中的实力。本课题以空间攻防中采用反卫星拦截为背景，对拦截卫星的攻击轨道规划及控制方法展开研究。课题的研究内容主要有以几个方面:
　　首先，针对“单-单”态势下的拦截卫星攻击轨道优化问题，以配备脉冲火箭的脉冲推力卫星和配备电推进的连续推力卫星为对象，利用遗传算法对这两种机动方式的拦截卫星攻击轨道优化问题展开研究。建立目标卫星的动态防御模型，针对拦截卫星轨道机动特点，将脉冲式推力模型转化成拦截卫星特征速度;将连续小推力模型简化为拦截卫星的推进系统在参考轨道坐标系中姿态角，设计了一种可变长实数遗传编码。将遗传算法的遗传算子和适应度函数进行优化设计，并且仿真验证遗传算法的有效性。
　　其次，针对“多-多”态势下的拦截卫星协同攻击轨道优化问题，提出了一种基于自适应遗传算法的多星协同攻击轨道规划方法。采用拦截卫星团队预计抵达目标位置所需时间为协同变量;以攻击轨道的安全性为协同约束;以路径代价函数为协同函数。实现多拦截卫星同时击中目标，提高整体作战效能及任务成功率。并且将遗传算法的运行参数及遗传算子进行了优化设计，增强算法的自适应能力。仿真说明了该方法的能够满足拦截任务的要求。
　　再次，针对目标机动逃逸的拦截卫星攻击轨道优化问题，提出了一种协同进化算法解决固定对抗时间下两航天器的三维空间追逃问题。根据纳什均衡思想，将复杂的双边最优规划问题转化为对纳什均衡点的搜索，使系统模型得到简化。以两航天器的相对距离作为支付函数，建立算法的适应度函数，对协同算子进行改进。分别对共面轨道和异面轨道下两航天器追逃路径进行仿真分析，同时得到追逃过程中二者控制加速度随时间的变化情况。仿真得出，当对抗双方为共面轨道时，其最优的追逃策略仍然在共面轨道上产生。
　　最后，当采用电磁干扰等方式摧毁目标卫星通讯系统时，需使拦截卫星停靠在目标卫星附近，因此，针对持续悬停绕飞干扰轨道规划问题，对悬停轨道构型保持的控制力方程及燃耗估计进行分析，在常值推力作用下利用幂级数法对系统近似求解。在悬停距离一定的条件下，以燃耗最优为原则，利用遗传算法规划出航天器悬停的最佳位置，从而计算构型保持所需的控制力。以相对位置和相对速度为状态量，建立悬停过程中的误差状态方程，在此开环控制的基础上，利用LQR控制设计反馈控制律，实现悬停保持过程中两航天器的相对位置及相对速度的精确控制。仿真验证了本文所提出的悬停轨道控制方法具有一定的抗干扰性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景和意义

1．2．1空间攻防体系发展概况

1．2．2目标卫星不机动时拦截方法研究现状

1．2．3目标卫星机动时拦截方法研究现状

1．2．4航天器悬停轨道研究现状

1．3本文主要研究内容及章节安排

第2章“单-单"态势下的拦截卫星轨道设计

2．1环境模型

2．1．1相对轨道动力学

2．1．2目标卫星防御模型

2．2脉冲式拦截卫星的轨道优化

2．2．1脉冲式拦截卫星空间拦截问题建模

2．2．2基于遗传算法的脉冲式攻击轨道规划

2．3连续小推力式拦截卫星的轨道优化

2．3．1连续小推力式拦截卫星空间拦截问题建模

2．3．2基于遗传算法的连续小推力式攻击轨道规划

2．4本章小结

第3章“多-多”态势下的拦截卫星协同攻击轨道设计

3．1多星协同拦截问题

3．2．1编码设计

3．2．2适应度函数设计

3．2．3自适应遗传运算

3．3仿真分析

3．4本章小结

第4章考虑目标机动逃逸的拦截卫星轨道设计

4．1．1空间追逃问题描述

4．1．2空间追逃环境模型

4．2．1协同进化算法

4．2．2追逃策略设计

4．2．3共享适应度

4．2．4协同进化算子设计

4．3仿真分析

4．3．1异面轨道追逃

4．3．2共面轨道追逃

4．4本章小结

第5章持续悬停绕飞干扰轨道设计

5．1航天器悬停轨道动力学

5．2控制力方程与燃耗估算

5．3基于LQR的悬停轨道控制方法

5．3．1遗传算法设计

5．3．2误差状态方程

5．3．3 LQR控制律设计

5．4仿真分析

5．4．1基本仿真结果

5．4．2抗干扰分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢