前 言
隨著對空間研究、開發(fā)與應(yīng)用能力的不斷提升,各國相繼研制
并發(fā)射了大量面向各種任務(wù)要求的航天器.在軌服務(wù)作為確保各航
天器在復(fù)雜空間環(huán)境持久、穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段,已成為目前航天
技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向.在軌服務(wù)建立在航天科技高度發(fā)展的基
礎(chǔ)之上,具有服務(wù)對象高度分散、服務(wù)手段高端密集、服務(wù)方式精
準(zhǔn)高效等特點(diǎn).隨著各項(xiàng)在軌服務(wù)任務(wù)突發(fā)性特征日益凸顯,對任
務(wù)規(guī)劃的時(shí)效性、資源約束性以及自主性要求也越來越高.自動(dòng)化
和智能化是在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)發(fā)展的必然選擇,國際空間在軌
服務(wù)的運(yùn)營實(shí)踐表明了這一點(diǎn).為了進(jìn)一步滿足任務(wù)規(guī)劃貫穿在軌
服務(wù)全過程這一實(shí)際需求,更好地處理這樣一類持續(xù)周期長、情況
類型不均的任務(wù)規(guī)劃問題,本書結(jié)合在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展和突出風(fēng)險(xiǎn)
處置需求,探索了人工智能先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃的方
式方法,通過理論研究與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的途徑,為在軌服務(wù)提供
科學(xué)的規(guī)劃手段,為解決其他領(lǐng)域任務(wù)規(guī)劃問題提供借鑒.
本書在緊跟國際研究前沿和自主創(chuàng)新成果的基礎(chǔ)上撰寫完成,
系統(tǒng)地闡述了在軌服務(wù)任務(wù)智能規(guī)劃的基本概念和原理、基礎(chǔ)理論
和方法、數(shù)學(xué)模型和算法、案例仿真及結(jié)果.全書共分為7章.第1
章為緒論,闡述基本概念,概述技術(shù)發(fā)展,剖析研究現(xiàn)狀.第2章
面向在軌服務(wù)全過程,在對在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)
上,進(jìn)行需求分析并明確本書重點(diǎn),介紹一種運(yùn)用智能方法來構(gòu)建
在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃的研究框架.第3章針對服務(wù)對象眾多、分散,
而在軌服務(wù)力量有限這一現(xiàn)狀,以智能規(guī)劃研究框架為依托,面向事前規(guī)劃情況處置需求, 滿足復(fù)合服務(wù)模式特征, 發(fā)揮Deep Q
Networks前向傳輸和反向訓(xùn)練的自主運(yùn)算優(yōu)勢,以用于解決航天器
在軌目標(biāo)分配問題,介紹一種復(fù)合服務(wù)模式下在軌目標(biāo)分配方法.
第4章針對空間碎片威脅而規(guī)避不及時(shí)這一突出風(fēng)險(xiǎn),面向臨時(shí)規(guī)
劃情況處置需求,發(fā)揮人工勢場法運(yùn)算迅速、實(shí)時(shí)規(guī)避等優(yōu)勢,以
用于解決航天器軌道臨時(shí)規(guī)避路徑規(guī)劃問題,介紹一種航天器軌道
臨時(shí)規(guī)避路徑規(guī)劃方法.第5章針對目標(biāo)非合作而均衡策略難獲取
這一突出問題,面向?qū)崟r(shí)規(guī)劃情況處置需求,將動(dòng)態(tài)博弈與最優(yōu)控
制相結(jié)合以有效解決航天器軌道博弈問題,介紹一種航天器軌道博
弈實(shí)時(shí)規(guī)劃方法.第6章面向在軌服務(wù)任務(wù)智能規(guī)劃研究實(shí)際應(yīng)用,
開展任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì),進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)案例仿真分析,檢驗(yàn)本
書智能規(guī)劃方法的可行性和有效性.第7章展望,總結(jié)本書主要工
作和下一步研究方向.
本書的研究工作得到了軍事科學(xué)院、航天工程大學(xué)、中國空間
技術(shù)研究院等單位眾多領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心,得到了司光亞、張明智、于小
紅、熊偉、張雅聲、岳智宏、王新波、劉必鎏、劉小荷、周赤非、
董獻(xiàn)洲、宋旭民、賈珺等專家領(lǐng)導(dǎo)的指導(dǎo).同時(shí),馬軍偉、劉海強(qiáng)、
劉宇辰、趙永勝、蔡宗寶、李悅、宋家乾、李亞東等單位領(lǐng)導(dǎo)給予
了大力支持,軍事科學(xué)院博士剛建勛、于鴻源、馬心意、施展等參
與了相關(guān)研究工作, 王雯雯、辛江、張其揚(yáng)、董芳、房瑩、張頌、
王濤、萬康、尹文浩、張鍇、王樹聲等提出了寶貴意見,在此一并
向他們表示感謝.
本書的出版有幸得到中國科學(xué)院周志鑫院士的關(guān)心和支持,在
此深表謝意.
由于作者水平有限,書中難免有不妥之處,敬請讀者批評指正.
作 者
2021年12月于北京
目錄
第1章 緒論
1.1 在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃的研究背景
1.2 在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃的相關(guān)概念
1.2.1 在軌服務(wù)
1.2.2 任務(wù)規(guī)劃與智能規(guī)劃
1.3 在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展概況
1.3.1 碎片移除
1.3.2 輔助變軌
1.3.3 在軌加注
1.3.4 在軌裝配
1.4 相關(guān)規(guī)劃技術(shù)研究進(jìn)展
1.4.1 在軌服務(wù)任務(wù)智能規(guī)劃
1.4.2 目標(biāo)分配方法
1.4.3 規(guī)避路徑規(guī)劃方法
1.4.4 博弈策略規(guī)劃方法
1.5 本書內(nèi)容與章節(jié)安排
1.5.1 本書內(nèi)容
1.5.2 章節(jié)安排
第2章 在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃研究框架
2.1 在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃概述
2.1.1 階段劃分及規(guī)劃概述
2.1.2 在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃過程分析
2.2 在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃需求分析
2.2.1 總體需求分析
2.2.2 主要研究問題
2.3 面向在軌服務(wù)全過程的智能規(guī)劃研究框架
2.3.1 智能規(guī)劃求解方式
2.3.2 智能規(guī)劃研究框架
2.4 本章小結(jié)
第3章 復(fù)合服務(wù)模式下在軌目標(biāo)分配研究
3.1 目標(biāo)分配問題描述與建模
3.1.1 問題描述
3.1.2 目標(biāo)分配建模
3.2 在軌服務(wù)目標(biāo)分配指標(biāo)模型
3.2.1 執(zhí)行效益指標(biāo)
3.2.2 能耗效率指標(biāo)
3.3 基于改進(jìn)DeepQNetworks的目標(biāo)分配求解算法
3.3.1 目標(biāo)分配DeepQNetworks網(wǎng)絡(luò)
3.3.2 DeepQNetworks收斂性與穩(wěn)定性改進(jìn)
3.3.3 目標(biāo)分配方法流程
3.4 復(fù)合服務(wù)模式下在軌目標(biāo)分配案例分析
3.4.1 案例描述
3.4.2 模型運(yùn)算分析
3.4.3 算法對比
3.5 本章小結(jié)
第4章 航天器軌道臨時(shí)規(guī)避路徑規(guī)劃研究
4.1 軌道規(guī)避問題描述與建模
4.1.1 問題描述
4.1.2 航天器軌道規(guī)避問題建模
4.2 基于Frenet坐標(biāo)系的軌道規(guī)避指標(biāo)模型
4.2.1 基于Frenet的空間運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系
4.2.2 Frenet坐標(biāo)系的笛卡兒轉(zhuǎn)換
4.2.3 航天器軌道規(guī)避優(yōu)化指標(biāo)
4.3.基于改進(jìn)人工勢場的路徑生成算法
4.3.1 規(guī)避空間碎片的人工勢場
4.3.2 規(guī)避空間碎片的路徑規(guī)劃
4.3.3 規(guī)避路徑動(dòng)態(tài)優(yōu)化
4.4 航天器軌道臨時(shí)規(guī)避路徑規(guī)劃案例分析
4.4.1 案例描述
4.4.2 模型運(yùn)算分析
4.4.3 算法對比
4.5 本章小結(jié)
第5章 航天器軌道博弈策略實(shí)時(shí)規(guī)劃研究
5.1 軌道博弈問題描述與建模
5.1.1 問題描述
5.1.2 問題建模
5.2 基于分支深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的博弈策略求解算法
5.2.1 博弈策略存在性與一致性檢驗(yàn)
5.2.2 博弈策略求解的馬爾可夫決策
5.2.3 連續(xù)空間求解的模糊推理模型
5.2.4 軌道博弈的分支深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)
5.2.5 航天器與空間目標(biāo)的博弈交互
5.3 航天器軌道博弈策略實(shí)時(shí)規(guī)劃案例分析
5.3.1 問題描述
5.3.2 模型運(yùn)算分析
5.3.3 算法對比
5.4 本章小結(jié)
第6章 在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用
6.1 在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)需求
6.1.1 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)建設(shè)之基
6.1.2 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)建設(shè)之需
6.1.3 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)建設(shè)之要
6.2 在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)
6.2.1 系統(tǒng)體系框架
6.2.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)
6.3 在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)應(yīng)用
6.3.1 背景想定
6.3.2 仿真與驗(yàn)證
6.4 本章小結(jié)
第7章 展望
7.1 本書主要工作
7.1.1 研究了在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃需求與研究框架
7.1.2 研究了復(fù)合服務(wù)模式下在軌目標(biāo)分配方法
7.1.3 研究了航天器軌道臨時(shí)規(guī)避路徑規(guī)劃方法
7.1.4 研究了航天器軌道博弈策略實(shí)時(shí)規(guī)劃方法
7.1.5 開展了在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用
7.2 研究展望
7.2.1 由簡到繁,繼續(xù)深入規(guī)劃方法研究
7.2.2 以點(diǎn)帶面,促進(jìn)相關(guān)技術(shù)協(xié)同發(fā)展
7.2.3 由運(yùn)算到認(rèn)知,探索智能化發(fā)展之路
參考文獻(xiàn)
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