内容简介

在轨服务作为确保各航天器在太空环境持久、稳定运行的重要手段，是航天科技领域的重要发展方向。为进一步满足任务规划贯穿在轨服务全过程实际需求，更好地处理这样一类持续周期长、情况类型不均的任务规划问题，本书结合在轨服务技术发展和突出风险处置需要，探索人工智能先进技术应用于在轨服务任务规划的方式方法，探寻运用人工智能方法来实现在轨服务任务规划的研究框架，重点介绍一种复合服务模式下在轨目标分配方法、一种航天器轨道临时规避路径规划方法以及一种航天器轨道博弈实时规划方法。面向实际应用开展系统设计，通过理论研究与技术实践相结合的途径，为在轨服务提供科学的规划手段，并可为解决其他领域任务规划问题提供借鉴参考。

前言

随着对空间研究、开发与应用能力的不断提升,各国相继研制并发射了大量面向各种任务要求的航天器。在轨服务作为确保各航天器在复杂空间环境持久、稳定运行的重要手段,已成为目前航天技术领域的重要发展方向。在轨服务建立在航天科技高度发展的基础之上，具有服务对象高度分散、服务手段高端密集、服务方式精准高效等特点。随着各项在轨服务任务突发性特征日益凸显,对任务规划的时效性、资源约束性以及自主性要求也越来越高。自动化和智能化是在轨服务任务规划技术发展的必然选择,国际空间在轨服务的运营实践表明了这一点。为了进一步满足任务规划贯穿在轨服务全过程这一实际需求,更好地处理这样一类持续周期长、情况类型不均的任务规划问题，本书结合在轨服务技术发展和突出风险处置需求，探索了人工智能先进技术应用于在轨服务任务规划的方式方法，通过理论研究与仿真实验相结合的途径，为在轨服务提供科学的规划手段，为解决其他领域任务规划问题提供借鉴。 本书在紧跟国际研究前沿和自主创新成果的基础上撰写完成,系统地阐述了在轨服务任务智能规划的基本概念和原理、基础理论和方法、数学模型和算法、案例仿真及结果。 全书共分为7章。第1章为绪论,阐述基本概念，概述技术发展,剖析研究现状.第2章面向在轨服务全过程，在对在轨服务任务规划过程进行分析的基础上，进行需求分析并明确本书重点，介绍一种运用智能方法来构建在轨服务任务规划的研究框架.第3章针对服务对象众多、分散,而在轨服务力量有限这一现状,以智能规划研究框架为依托,面向事前规划情况处置需求, 满足复合服务模式特征, 发挥Deep Q Networks前向传输和反向训练的自主运算优势,以用于解决航天器在轨目标分配问题，介绍一种复合服务模式下在轨目标分配方法。第4章针对空间碎片威胁而规避不及时这一突出风险,面向临时规划情况处置需求，发挥人工势场法运算迅速、实时规避等优势,以用于解决航天器轨道临时规避路径规划问题，介绍一种航天器轨道临时规避路径规划方法。第5章针对目标非合作而均衡策略难获取这一突出问题,面向实时规划情况处置需求，将动态博弈与最优控制相结合以有效解决航天器轨道博弈问题，介绍一种航天器轨道博弈实时规划方法。第6章面向在轨服务任务智能规划研究实际应用，开展任务规划系统设计,进行任务规划系统案例仿真分析，检验本书智能规划方法的可行性和有效性。第7章展望，总结本书主要工作和下一步研究方向。 本书的研究工作得到了军事科学院、航天工程大学、中国空间技术研究院等单位众多领导的关心,得到了司光亚、张明智、于小红、熊伟、张雅声、岳智宏、王新波、刘必鎏、刘小荷、周赤非、董献洲、宋旭民、贾珺等专家领导的指导.同时,马军伟、刘海强、刘宇辰、赵永胜、蔡宗宝、李悦、宋家乾、李亚东等单位领导给予了大力支持,军事科学院博士刚建勋、于鸿源、马心意、施展等参与了相关研究工作, 王雯雯、辛江、张其扬、董芳、房莹、张颂、王涛、万康、尹文浩、张锴、王树声等提出了宝贵意见,在此一并向他们表示感谢。 本书的出版有幸得到中国科学院周志鑫院士的关心和支持，在此深表谢意。由于作者水平有限,书中难免有不妥之处,敬请读者批评指正。 作　者 2021年12月于北京

目录

第1章绪论 1.1在轨服务任务规划的研究背景 1.2在轨服务任务规划的相关概念 1.2.1在轨服务 1.2.2任务规划与智能规划 1.3在轨服务技术发展概况 1.3.1碎片移除 1.3.2辅助变轨 1.3.3在轨加注 1.3.4在轨装配 1.4相关规划技术研究进展 1.4.1在轨服务任务智能规划 1.4.2目标分配方法 1.4.3规避路径规划方法 1.4.4博弈策略规划方法 1.5本书内容与章节安排 1.5.1本书内容 1.5.2章节安排 第2章在轨服务任务规划研究框架 2.1在轨服务任务规划概述 2.1.1阶段划分及规划概述 2.1.2在轨服务任务规划过程分析 2.2在轨服务任务规划需求分析 2.2.1总体需求分析 2.2.2主要研究问题 2.3面向在轨服务全过程的智能规划研究框架 2.3.1智能规划求解方式 2.3.2智能规划研究框架 2.4本章小结 第3章复合服务模式下在轨目标分配研究 3.1目标分配问题描述与建模 3.1.1问题描述 3.1.2目标分配建模 3.2在轨服务目标分配指标模型 3.2.1执行效益指标 3.2.2能耗效率指标 3.3基于改进Deep Q Networks的目标分配求解算法 3.3.1目标分配Deep Q Networks网络 3.3.2Deep Q Networks收敛性与稳定性改进 3.3.3目标分配方法流程 3.4复合服务模式下在轨目标分配案例分析 3.4.1案例描述 3.4.2模型运算分析 3.4.3算法对比 3.5本章小结 第4章航天器轨道临时规避路径规划研究 4.1轨道规避问题描述与建模 4.1.1问题描述 4.1.2航天器轨道规避问题建模 4.2基于Frenet坐标系的轨道规避指标模型 4.2.1基于Frenet的空间运动坐标系 4.2.2Frenet坐标系的笛卡儿转换 4.2.3航天器轨道规避优化指标 4.3基于改进人工势场的路径生成算法 4.3.1规避空间碎片的人工势场 4.3.2规避空间碎片的路径规划 4.3.3规避路径动态优化 4.4航天器轨道临时规避路径规划案例分析 4.4.1案例描述 4.4.2模型运算分析 4.4.3算法对比 4.5本章小结 第5章航天器轨道博弈策略实时规划研究 5.1轨道博弈问题描述与建模 5.1.1问题描述 5.1.2问题建模 5.2基于分支深度强化学习的博弈策略求解算法 5.2.1博弈策略存在性与一致性检验 5.2.2博弈策略求解的马尔可夫决策 5.2.3连续空间求解的模糊推理模型 5.2.4轨道博弈的分支深度强化学习 5.2.5航天器与空间目标的博弈交互 5.3航天器轨道博弈策略实时规划案例分析 5.3.1问题描述 5.3.2模型运算分析 5.3.3算法对比 5.4本章小结 第6章在轨服务任务规划系统设计及应用 6.1在轨服务任务规划系统需求 6.1.1任务规划系统建设之基 6.1.2任务规划系统建设之需 6.1.3任务规划系统建设之要 6.2在轨服务任务规划系统设计 6.2.1系统体系框架 6.2.2系统功能架构 6.3在轨服务任务规划系统应用 6.3.1背景想定 6.3.2仿真与验证 6.4本章小结 第7章展望 7.1本书主要工作 7.1.1研究了在轨服务任务规划需求与研究框架 7.1.2研究了复合服务模式下在轨目标分配方法 7.1.3研究了航天器轨道临时规避路径规划方法 7.1.4研究了航天器轨道博弈策略实时规划方法 7.1.5开展了在轨服务任务规划系统设计与应用 7.2研究展望 7.2.1由简到繁,继续深入规划方法研究 7.2.2以点带面,促进相关技术协同发展 7.2.3由运算到认知,探索智能化发展之路 参考文献