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深空探测器自主任务规划方法研究与系统设计

徐文明  
【摘要】: 深空探测是21世纪世界宇航大国关注的焦点,由于深空探测的目标远、飞行环境不确定等因素,使探测器的实时控制和操作成为难题。自主技术是解决这些问题的一条途径,它通过星上的自主的软件系统完成传统地面的一系列任务,而星上自主的任务规划是其一个重要的组成部分。本文基于探测Ivar小行星的设计方案,对深空探测器自主任务规划方法和系统设计进行了研究。 本文先对深空探测器自主任务规划中的三个关键问题——任务序列的规划、导航小行星的筛选与规划、探测器大角度机动规划进行了深入的研究,在解决这三个问题的基础上,进行了深空探测器自主任务规划系统的设计。具体内容如下: 在任务序列的规划方面,本文提出了基于状态扩展的规划算法。采用状态和状态时间线表述探测器的任务及其约束关系。基于状态描述,利用时间线内和时间线间的扩展生成满足约束的任务序列。 在自主光学导航方面,主要进行了导航小行星的筛选、拍照顺序的规划。对于导航小行星筛选问题,提出了基于小行星可见星等、距离、相对速度、视线夹角的筛选准则,并利用综合评估的方式进行导航小行星的筛选;对于小行星拍照序列规划问题,分别采用反复最邻近法和改进的遗传算法进行求解,并对两种方法进行了比较分析。并且引入差额筛选的策略,得到了更优的导航性价比。 对于自主探测器大角度机动规划问题,本文提出单轴随机扩展算法,单轴随机算法在生成随机节点过程中充分利用邻近点的信息,把规划问题构造空间的维数由3减少到2,从而减少问题求解的搜索空间,最后利用前向搜索的方法对规划路径进行优化。 基于对上述这三个方面的研究,本文设计了基于专家系统的深空探测器自主任务规划系统,系统包括规划与调度模块、导航专家系统、姿控专家系统。针对探测Ivar小行星的设计方案,进行了系统仿真。


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