序列二次规划(SQP)算法及其在航天器追逃中的应用

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两航天器追逃问题可以描述成一个零和微分对策模型,是一个典型的双边最优控制问题。本文假设两个航天器都被赋予相当的机动能力,且都在连续恒定小推力的作用下飞行;当追踪航天器在某一瞬时达到逃逸航天器的瞬时位置时,追逃过程结束;在追逃过程中,追踪航天器的目的是以最快的时间追上逃逸航天器,相反逃逸航天器则是想将追踪的时间无限期延长。本文主要研究的内容是在三维模型下的两航天器追逃策略问题,基于绝对坐标系下,建立两航天器的动力学模型,应用鞍点平衡法解决零和微分对策问题,该方法首先是从最优解存在的必要条件入手,结合边界条件和横截条件进行分析,推导出双边最优控制问题最优解存在的必要条件,然后将双边最优控制问题转化为单边最优控制问题,最后采用数值算法对单边最优控制问题进行求解。本文采用序列二次规划(SQP)算法对单边最优控制问题进行求解,在应用序列二次规划(SQP)算法方法进行求解时,需要一个初始的猜测解,这个猜测解由遗传算法(GA)估算出来。这种方法可以认为是一种预处理技术,并对这类问题十分有效,但目前来看,对于反复寻找这种初值解的尝试是一项具有挑战性的工作。本文研究得出以下结论:(1)双边最优控制问题可以等价的转化为单边最优控制问题,应用序列二次规划和遗传算法相互结合的数值算法对于解决两航天器追逃对策问题十分有效,并且GA-SQP算法具有很好的稳定性,能够成功找到两航天器的最优飞行轨迹和最佳飞行策略;(2)两航天器之间的初值距离是影响对策时间的一个重要因素。两航天器具有相同的初始高度和初始速度时,对策时间的长短与两航天器之间的初始距离成正比关系;初始速度的大小和方向也是决定对策时间的一个重要因素,在两航天器具有不同的初始高度和初始速度时,对策时间的长短与距离成反比关系。
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