【摘 要】
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为了有效应对空间碎片等不明物体的交会威胁,提高航天器在轨空间安全防御能力,本文围绕航天器轨道追逃问题,采用微分博弈理论,研究了完全信息追逃博弈鞍点求解方法,设计了不完全信息追逃博弈最优控制律,并开展了地面半实物仿真实验。论文的主要研究成果如下:提出了完全信息下航天器追逃博弈鞍点的高效鲁棒求解方法。1)针对线性动力学模型下自由时间微分对策问题,提出了降维求解方法。该方法将十二维两点边值问题转化为四维
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为了有效应对空间碎片等不明物体的交会威胁,提高航天器在轨空间安全防御能力,本文围绕航天器轨道追逃问题,采用微分博弈理论,研究了完全信息追逃博弈鞍点求解方法,设计了不完全信息追逃博弈最优控制律,并开展了地面半实物仿真实验。论文的主要研究成果如下:提出了完全信息下航天器追逃博弈鞍点的高效鲁棒求解方法。1)针对线性动力学模型下自由时间微分对策问题,提出了降维求解方法。该方法将十二维两点边值问题转化为四维非线性方程组的求解,提高了博弈鞍点的求解效率。2)针对非线性摄动变质量模型下自由时间微分对策问题,提出了配点打靶双层规划方法。该方法将高维两点边值问题分解为内层的子两点边值问题和外层非线性方程组问题分别规划求解,能够精确鲁棒地求解追逃博弈鞍点。设计了不完全信息下航天器轨道追逃的在线最优闭环控制律。1)考虑逃逸器的观测噪声,对经典的博弈模型修正并重新推导最优控制律。结果表明,相比完全信息解,追踪器的最优控制律增加了干扰逃逸器观测的机动分量,而逃逸器的最优控制律保持不变。2)考虑逃逸器的观测时延,对博弈模型修正并重新推导最优控制律。结果表明,相比完全信息解,逃逸器最优控制律中的状态量是由时延前的状态量映射产生的当前虚拟状态量,而追踪器的最优控制律不变。3)考虑双方支付函数未知的情况,设计了逃逸器在线实时估计的最优控制律,将对支付函数的猜测问题转化成博弈系统的参数识别问题,利用强跟踪无迹卡尔曼滤波方法在线识别支付函数中的权重系数。结果表明,该方法能有效估计支付系数并预测未来的博弈轨迹,提高航天器的收益。开展了航天器追逃博弈的地面半实物仿真实验。1)基于实验室半实物仿真平台,设计了追逃博弈仿真实验的总体方案,对测量、运动环节进行实物模拟,将控制解算环节在星载计算条件下模拟,实现了相对导航-机动规划-运动控制一体化的闭环博弈仿真过程。2)基于相似性原理设计了缩比因子,在有限空间和平台性能范围开展大尺度的空间追逃。实验结果表明,在测角和测距相对导航条件下,微分博弈最优控制律可以达到预期的博弈效果,由于时延和测量误差的影响,实际博弈轨迹和理论最优轨迹会有较小偏差。本文提出的航天器追逃博弈路径规划和控制方法能够有效拓展航天器轨道追逃微分博弈理论,支撑防御性空间对抗技术的发展,对提高我国航天器的在轨生存寿命和在轨服务能力具有重要意义。
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