小天体多目标多模式探测任务设计

多目标多模式小天体探测具有降低任务成本、增加科学回报的优点,本文针对多目标多模式小天体探测任务中摄动敏感、约束复杂以及推力幅值变化等任务规划的设计难题,研究了地球准卫星采样返回以及主带彗星交会探测任务的转移轨道设计问题.首先,介绍了探测目标的科学价值并根据任务约束给出探测任务构想.其次,基于椭圆型限制性三体问题,考虑星历、发射能量和采样返回再入速度等约束,设计并优化了地球准小行星目标的多脉冲采样返回轨道,实现地球发射与返回段和星际转移段全过程的精确飞行设计.最后,根据任务约束,推导了推力幅值可变的最优小推力转移轨道的一阶必要条件并给出考虑借力约束的初值选取方法.以采样后火星借力探测主带彗星为例,求解并分析了最大推力幅值衰减的小推力交会轨道.本文的研究方法可为我国未来的深空探测任务提供参考.     

基于微分进化的行星际小推力轨道全局优化方法

针对行星际小推力轨道优化问题,提出一种基于改进微分进化的全局优化算法.通过引入试验个体重生成和约束判断选择策略,克服传统微分进化算法中寻优参数和轨道约束违反边界的缺陷.为提高微分进化算法后期收敛效率,提出了基于最优个体信息的变异操作和局部搜索辅助策略.以地球-水星的小推力燃料最省转移为例对所提算法进行了验证.数值计算结果表明:改进的微分进化算法能够快速有效地寻找到全局最优轨道,并且与传统非线性规划和遗传算法相比,具有更高的可靠性和收敛性.     

先进上面级快速机动轨道优化设计

根据先进上面级的推力特点和任务需求,将快速机动轨道优化问题转化为有限推力下时间最优轨道机动问题。首先建立脉冲推力下的多约束时间最优优化模型,然后利用改进的微分进化法求解全局最优解。其次建立有限推力下的修正模型,对脉冲推力的优化结果进行修正,最终得到有限推力下时间最优轨道机动问题的解。通过快速轨道交会仿真验证了模型和算法的合理性,所得终端位置误差为1 km量级,在容许范围内,可通过末端轨道调整进一步修正。理论分析和仿真结果表明:结合脉冲变轨和有限推力修正的模型能更准确描述轨道机动的实际情况,采用的改进微分进化算法收敛速度快,稳定性好,对初值无明显要求。     

我国小行星探测目标分析与电推进轨道设计

近几年,世界各航天大国陆续实施了小行星探测计划.近地小行星也是我国下一步深空探测的重要目标,国内航天相关单位正在积极开展近地小行星探测的前期任务论证与规划工作.以此为背景,研究了电推进方式探测近地小行星的目标选择与轨道设计问题.首先分析了近地小行星探测的科学和技术目标,结合我国技术水平的发展现状,给出了6颗适合作为探测目标的近地小行星.搜索了2016年至2020年之间探测每颗可能目标的发射窗口.为了增加探测任务的科学回报,特别关注了多目标、多任务的近地小行星探测,推荐了一次探测多个有价值目标的可行多任务探测方案：Earth出发-Nereus飞越-Apophis飞越-1999JU3交会.基于脉冲估算结果设计电推进轨道,将中途多任务探测作为内点约束整体优化小推力转移轨道,采用间接法求解燃料最优控制问题得到了小推力的最优轨迹.最后给出了推荐方案的详细飞行程序.     

基于B平面参数的行星际小推力轨道制导策略

针对行星际小推力转移轨道制导问题,提出了一种基于目标B平面参数的预测制导方法. 在对推力控制量进行分段参数化基础上,采用序列二次规划算法获得标称转移轨道;然后将分段控制函数系数作为制导参数,以B平面参数为目标约束,通过线性化处理建立目标B平面参数与离散制导参数间的映射关系. 基于微分校正思想,采用分段逐次修正策略实现了制导参数的修正. 以火星探测任务为例,基于蒙特卡洛仿真对本文方法进行了数值验证,结果表明:相比轨道参数方法,利用B平面参数方法的轨道修正次数更少,且制导精度高.      

多颗小行星探测顺序确定及轨迹优化

小行星探测日渐成为深空探测领域的一个研究热点。考虑小行星Kepler轨道以及小推力航天器的特点,从能量和相位的角度推导出多颗小行星探测顺序的确定准则,并利用优化算法对航天器的飞行轨迹进行了全局优化设计。算法在满足约束条件的前提下,使得航天器剩余质量与飞行时间的比值达到最大,并通过数值仿真算例验证了算法的可行性。结果表明:该算法综合利用遗传算法和局部优化算法具有精度高、计算简单的特点,可用于小行星探测的轨迹优化设计问题。     

行星际小推力转移轨道分层初始设计方法

针对小推力转移轨道设计问题,提出了一种结合切比雪夫多项式拟合和离散脉冲策略的分层初始设计方法.基于曲线拟合思想采用切比雪夫多项式对小推力轨道进行逼近,建立起轨道状态与时间的关系,避免了传统曲线拟合策略中时间约束的解算并舍去了速度方向假设;在全局搜索中利用低阶多项式求解边界约束得到降维解空间中的全局最优解;在此基础上,增加切比雪夫多项式的自由度并局部优化;通过脉冲离散并进一步优化求解出引入路径约束的小推力轨道.以地火交会轨道及地-火-木星借力交会轨道为例对所提方法进行了仿真验证,结果表明此方法可有效地对交会、借力轨道进行快速全局初始设计.     

一种基于极限学习机的推力分配方法

针对传统迭代推力分配方法实时性较差的问题,提出了一种基于极限学习机(ELM)的推力分配方法.该方法考虑了推进器的布局条件与推进器推力约束,利用序列二次规划(SQP)算法在短时间内生成了大量用于极限学习机神经网络训练的推力分配样本数据.利用生成的数据集进行了离线训练,并进行了在线测试.仿真结果表明:该方法可以较高的精度和更快的计算速度完成推力分配,体现了其相较于传统迭代优化算法的优越性,更能满足工程应用的实时性需求.     

考虑公交车内拥挤的区间公交优化设计

为满足公交客流走廊集聚的需求,研究了全程车和区间车形成的多服务模式公交优化设计问题.针对公交走廊需求特征,利用公交客流起止点(OD)数据,建立了双层优化模型,上层模型以发车频率和公交座位数为主要输出参数的公交设计研究模型,下层模型为经典的随机选择(SUE)模型,应用序列二次规划(SQP)算法求解模型.最后结合相关案例给出了优化算例,案例结果表明,模型具有较强的实用性,能够较好地反映公交车内拥挤对乘客出行成本的影响,能有效地提高公交走廊的运营效率.同时,模型通过输出不同站点上车在各站点能找到座位的概率,优化乘客选择不同公交出行的行为,均衡了公交客流,提高了车辆服务质量.     

解变分不等式问题的一类滤子SQP算法

针对一般形式的变分不等式问题,考虑将其转化为约束优化问题求解.对于这种特定的约束优化问题,提出了一类新的滤子序列二次规划(SQP)求解方法.基于变分不等式与约束优化问题的不同,在滤子条件中采用了一个二次价值函数作为目标函数,使得一般的变分不等式问题均可用滤子算法求解.采用SQP方法结合滤子方法获取试探步,只需要计算两个简单不等式判断试探步,算法易实现,计算量小.在较弱的条件下证明了算法的全局收敛性.最后,给出了算法的数值算例,与同类算法比较,结果良好.     

基于多支持向量机和粒子群算法的永磁同步直线电机优化设计

引入多支持向量机算法(MSVM),用以解决永磁同步直线电机(PMSLM)优化设计中的快速建模问题。在3D有限元分析的基础上,采用MSVM拟合直线电机结构参数与运行性能参数之间的非线性关系,对电机性能参数(推力、推理波动率、效率和谐波畸变率等)进行回归预测,该方法建立的模型精度可达到93%以上;引入粒子群算法(PSO)对MSVM电机模型进行寻优,得到一组最优的电机结构参数并建立有限元模型。仿真实验结果表明:采用MVSM建模并优化的电机推力大、推力波动小、峰值电流小、效率高,符合电机的优化设计目标。     

多模块航天器转移轨道优化设计

轨道动力学是适用于全局优化的众多应用领域之一。着眼于分布式航天器转移轨道优化,提出了所有航天器模块连续地从停泊轨道转移到目标轨道,并同时保持相对位置的方案。最优控制问题已经确定。性能指标的选取标准是在有限的燃料下将总体轨道转移时间降到最低。总体轨道转移时间是包括消除航天器之间在停泊轨道上的相位差耗费时间和所有模块长距离轨道转移时间之和。当选取位置和速度作为状态时,最优问题就是一个非常复杂的最优控制问题。然而,通过给出合适的常值状态参量,上述问题就会转变成静态参数最优问题。最终采用基于Matlab优化工具拟牛顿方法的最优化算法解决了这个参数最优化问题。当初始估计良好的情况下该最优化算法能够迅速收敛。另一方面,轨道动力学推力假设能够获得最初估计值。仿真结果证明了多模块航天器的轨道设计策略是实用的,同时证明该最优化算法是有效的。     

一类积极集SQP滤子方法

积极集策略是在约束最优化问题中减少约束条件个数的一个有效手段.基于此策略,结合序列二次规划(SQP)方法,并利用滤子以避免罚函数的使用,提出了一类积极集SQP滤子方法,并在合理条件下证明了算法的全局收敛性.数值结果表明算法是有效的.     

MIMO双向中继信道能量效率优化算法

研究了多输入多输出(multiple input multple output,MIMO)双向中继信道的能量效率优化问题。首先考虑无功率约束下的能量效率优化问题,采用嵌套优化方法得到最优的功率分配。然后求解有功率约束时的能量效率优化问题,如果无功率约束时的最优解在最大功率约束内,则该最优解为有功率约束时的最优解;否则通过确定一部分节点的最优发射功率,减小剩下节点的发射功率的优化区间来求解该问题。仿真结果验证了所提优化算法的有效性。     

基于SQP法的电压无功功率优化

文章阐述了一般电力系统电压无功优化的概念和非线性规划中的连续二次规划法(SQP)的基本算法,并给出了电压无功优化的连续二次规划法(SQP)模型,利用该方法对实际系统进行仿真,从理论和实践中证明了这种方法的可行性和有效性.     

基于宽带信道状态信息的密钥生成策略

对于宽带通信系统,大量的频点信息可以作为随机源生成密钥,从而增强通信系统的安全性。然而环境中散射径的数目是有限的,导致不同频点存在着相关性。在限定总发送功率的条件下,针对不同频点的功率分配策略会对密钥的安全性能产生影响。该文以密钥生成速率作为密钥安全性的衡量,建立了功率分配模型以实现密钥生成速率的最大化,并利用Lagrange乘数法进行求解。为降低计算复杂度,提出了一种次优的功率分配方法,并与最优的序列二次规划(sequential quadratic programming,SQP)求解算法进行对比,数值结果表明:次优功率分配策略下得到的密钥安全性能非常接近通过SQP算法得到的最优功率分配策略的密钥安全性能。     

基于小世界原理的模型降阶优化研究

为了克服模型降阶问题参数多且易陷入局部最优值的缺点,借鉴社会网络中的小世界原理,提出了基于十进制编码策略的局部短连接和随机长连接搜索算子,进而构造了一种十进制编码的小世界优化算法(DSWA).对稳定和非稳定线性系统的模型降阶优化进行了试验,验证了DSWA算法求解的可行性和有效性.区间固定与区间动态扩展策略的对比结果表明,采用区间动态扩展策略要优于区间固定策略,且DSWA算法能在一定程度上克服陷入局部最优值的问题.此外,通过对比所得优化模型与原始模型之间的误差值、时频域响应曲线等,表明采用DSWA算法得到的降阶模型具有较优的逼近性能.     

飞向Halo轨道的太阳帆航天器轨迹优化设计

研究了太阳帆航天器从地球同步轨道飞向日-地第2Lagrange(L2)点Halo轨道时其转移并入轨的轨迹优化设计问题。提出了分3阶段优化设计的方法:首先调整航天器逃离地球的飞行轨迹,使其比较接近目标Halo轨道的不变流形;再借助不变流形,用遗传算法求解相应的最优控制,使其转移到目标Halo轨道的不变流形上;最后航天器将沿流形飞行完成入轨。数值仿真结果表明,提出的方法可以得到相当好的转移轨道。由此显示:将转移轨道分为若干阶段,借助不变流形,用遗传算法求解最优控制问题的轨道优化设计方法对于此类小推力变轨问题是切实可行的。     

飞向Halo轨道的太阳帆航天器轨迹优化设计

研究太阳帆航天器从地球同步轨道飞向日-地第2Lagrange(L2)点Halo轨道时其转移并入轨的轨迹优化设计问题。提出了分3阶段优化设计的方法:首先调整航天器逃离地球的飞行轨迹,使其比较接近目标Halo轨道的不变流形;再借助不变流形,用遗传算法求解相应的最优控制,使其转移到目标Halo轨道的不变流形上;最后航天器将沿流形飞行完成入轨。数值仿真结果表明,提出的方法可以得到相当好的转移轨道。由此显示,将转移轨道分为若干阶段,借助不变流形,用遗传算法求解最优控制问题的轨道优化设计方法对于此类小推力变轨问题是切实可行的。     

基于极限学习机模型参数优化的光伏功率区间预测技术

提出一种基于极限学习机(ELM)模型参数优化的光伏功率区间预测技术.首先,提出加权欧氏距离作为光伏功率预测区间评估指标,筛选历史样本单元并优化ELM训练集;然后,提出ELM参数混合寻优算法,利用精英保留策略遗传算法与分位数回归优化ELM模型隐层输入及输出权重与偏置参数,并采用训练后的模型预测光伏功率区间;最后,基于光伏电站与气象站历史数据构建实际算例,预测光伏功率区间,并与其他方法得到的结果进行对比.算例结果表明：所提方法在增加区间预测可信度的同时,能较大程度提高区间预测准确度.