文档介绍：一、问题的重述
考虑航天器在仅受到地球万有引力、航天器自身发动机作用力的作用下作平面运动,将地球和航天器视为质点,建立航天器运动的数学模型。
显然这样的数学模型在精度上是远远不能满足实际需要的,在其他要求精确制导等有关高科技的实际问题中,我们都面临着类似的问题:我们必须建立高精度的数学模型,必须高精度地估计模型中的大批参数,因为只有这样的数学模型才能解决实际问题,而不会出现差之毫厘,结果却失之千里的情况。由于航天器的问题太复杂,本题仅考虑较简单的确定高精度参数问题。
假设有一个生态系统,其中含有两种生物,即: A生物和B生物,其中A生物是捕食者,B生物是被捕食者。假设时刻捕食者A的数目为,被捕食者B数目为,它们之间满足以下变化规律:
初始条件为:
其中为模型的待定参数。
通过对此生态系统的观测,可以得到相关的观测数据。要利用有关数据,解决以下问题:
1) 在观测数据无误差的情况下,若已知,求其它5个参数?
2)若也未知,至少需要多少组观测数据,才能确定参数?
3) 在观测资料有误差(时间变量不含有误差)的情况下,确定参数在某种意义下的最优解,并与仿真结果比较,进而改进数学模型。
4) 假设连观测资料的时间变量也含有误差,确定参数在某种意义下的最优解。
二、航天器运动模型的建立
考虑航天器在仅受到地球万有引力、航天器自身发动机作用力的作用下作平面运动,将地球和航天器视为质点,由理论力学可知,一个刚体在空间的运动可以看作质心的移动,因此可以应用质心运动定理来研究刚体质心的移动规律。以地球中心为原点,建立直角坐标系,航天器绕地球飞行,可以出现在该直角坐标系中四个象限的任意一个之内。平面直角坐标系如图1。
符号说明如下:
——航天器在x方向的速度
——航天器在y方向的速度
——万有引力,
——航天器发动机作用力,为控制变量
——万有引力与x轴正方向的夹角
——航天器发动机作用力与x轴正方向的夹角
——初始时刻
,——航天器初始位置
——航天器x方向初速度
——航天器y方向初速度
航天器受的万有引力方向指向地球中心(原点),航天器受推力的方向与x轴正方向成角。将和投影到该直角坐标系上,见图1
图1 航天器受力分解图
其中,
初始条件为
,都是关于时间的位置函数,航天器在x方向的分速度即对时间t求导,航天器在y方向的分速度即对时间t求导,航天器在x方向的加速度即对时间t求二阶导,航天器在y方向的加速度即对时间t求二阶导,根据牛顿第二定律有方程(3)和(4)。由此建立的航天器模型如下:
显然这样的数学模型在精度上是远远不能满足实际需要的,在其他要求精确制导等有关高科技的实际问题中,我们都面临着类似的问题:我们必须建立高精度的数学模型,必须高精度地估计模型中的大批参数,因为只有这样的数学模型才能解决实际问题,而不会出现差之毫厘,结果却失之千里的情况。这时所建立数学模型的精度就成了数学模型的生命线。例如上述问题中的航天器还要受到地球质量分布不均匀所引起的摄动力,大气阻力,日、月及其它星球的摄动引力的影响,以及航天器发动机为调整航天器自身姿态运作时作用力的影响。这样不但数学模型十分复杂,而且在这些数学模型中还要涉及到许多重要的参数,如地球的引力场模型就有许多待定参数。不仅如此,在对航天器进行测量时,还涉及到观测站的地理位置以及设备的系统误差等参数。为此人们要设法利用长期积累的丰富的观测资料,高精度确定这些重要的参数。
由于航天器的问题太复杂,下面本题仅考虑较简单的确定高精度参数问题。
三、捕食者与被捕食者生态系统问题的分析
题中假设有一个生态系统,含有两种生物,A生物和B生物, A生物是捕食者,B生物是被捕食者。假设时刻捕食者A的数目为,被捕食者B数目为,它们之间满足以下变化规律:
初始条件为:
该模型中,捕食者独自存在时死亡率,;被捕食者对捕食者的供养能力;是被捕食者的独立生存增长率,;是捕食者掠取被捕食者的能力,。[2]
这个方程就是生态系统中被捕食者与捕食者的volterra模型,为模型的待定参数。对于该模型理论上不存在解析解,因此我们不能通过参数拟合确定模型的参数。Volterra模型在给定参数和初始值的情形下可以采用数值积分获得任意时间点的数值解。
根据volterra模型进行一些公式推导如下:
两个方程相除得:
移项得:
两边积分:
得到相轨方程:
移项得:
该式右边为
只与系统初始状态有关,令
易知,将(5)式代入(4)式得到
式中方程两边同除以C,得:
在(7)式中,令
,,,
得到
这一方程体现了Volterra模型中两个变量之间的变化关系,我们称此方程为相轨方程。进一步研究相轨方程,可以发现Volterra模型