基于Proximal-Newton-Kantorovich凸规划的空天飞行器实时轨迹优化

针对空天飞行器大气层内上升段实时轨迹优化问题，提出一种基于Proximal-Newton-Kantorovich凸规划的轨迹优化方法。首先，应用Newton-Kantorovich迭代方法将轨迹优化问题转化为一系列的子问题，每个子问题都是一个线性最优控制问题；其次，针对Newton-Kantorovich迭代方法忽略运动方程中的高阶信息，导致难以收敛这一问题，提出Proximal-Newton-Kantorovich迭代方法，在子问题的性能指标中加入邻近规则化项，改善了Newton-Kantorovich迭代方法的收敛性；最后，将子问题离散为二阶锥规划问题，并应用内点法进行求解。提出的Proximal-Newton-Kantorovich凸规划方法是一种求解非线性轨迹规划问题的可行途径。理论分析表明，Proximal-Newton-Kantorovich迭代方法的收敛结果一定是轨迹优化问题的局部最优解。数值实验表明，此方法的计算时间在毫秒级。     

基于凸优化的再入轨迹三维剖面规划方法

可重复使用飞行器一般采用大升阻比气动外形，再入轨迹三维剖面规划方法可充分发挥这类飞行器固有的机动能力。计算量大是制约三维剖面规划应用的难题，为提高计算效率，提出了一种基于凸优化的再入轨迹三维剖面规划方法。首先，分析运动方程特性，利用定义新的控制变量、约束松弛、连续线性化等技术，将原始非凸的三维剖面规划问题转化为一个凸优化问题。其次，将指令反解步骤嵌入至序列凸化算法中，通过迭代求解凸优化子问题，获得原问题的可行解。数值仿真结果表明所提方法具有较高的求解精度和确定的收敛性质，飞行器的机动能力得到充分发挥；与伪谱法的结果对比表明凸优化方法在轨迹规划问题上具有更高的求解效率。     

再入滑翔式飞行器轨迹快速优化

为了满足再入滑翔飞行器轨迹实时生成的要求,提出了一种轨迹快速优化方法.在模型处理方面,根据再入飞行器运动的特点,对再入轨迹方程进行了合理的简化处理和无量纲化处理,使其更适合数值优化算法求解;在算法方面,采用乘子法对再入终端约束进行处理,然后采用共轭梯度法求解最优的再入轨迹.仿真结果表明,这样处理只需10s左右的时间便能产生一条满足约束条件的再入优化轨迹,验证了模型     

逼近无控旋转目标航天器的混合势函数安全制导

研究了追踪航天器逼近无控旋转目标航天器的安全制导问题，逼近过程中，追踪航天器需要躲避空间中的障碍物，同时需要避免与目标航天器的太阳能电池帆板和天线等附件发生碰撞。建立了视线坐标系下的两航天器间的相对运动方程，采用四元数描述目标航天器的姿态运动。将参考位置设为引力源，设计了吸引势函数。针对安全逼近问题，建立了球面安全区和锥面安全走廊，设计了安全势函数。将障碍物假设为具有一定半径的球体，设计了障碍物势函数。吸引势函数、安全势函数和障碍物势函数一起组成了混合势函数。为了解决整个势场中除参考位置外还可能存在其他局部极小点问题，对混合势函数进行了修正，保证参考位置位于混合势函数的最低点。利用Lyapunov稳定性理论对混合势函数进行了稳定性分析，推得符合要求的控制加速度，使追踪航天器沿着混合势函数的负梯度方向逼近无控旋转目标航天器。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

基于微分平坦的航天器避障轨迹快速规划

针对碰撞避免约束下航天器相对运动轨迹规划问题,提出了一种基于微分平坦理论和三维旋转超平面技术的避障轨迹快速规划方法。在建立最优控制框架下的避障轨迹规划模型基础上,利用相对运动动力学方程的微分平坦属性,将规划模型映射至平坦输出空间中,消除微分约束的同时降低规划空间的维度;进一步采用旋转超平面技术凸化处理碰撞避免约束,将问题最终转换为二次规划问题进行求解。数值仿真结果表明,所提出的方法能够在维持较高规划精度的同时有效提高航天器避障轨迹规划的效率,可为工程设计提供有益参考。     

基于直接配点法的滑翔轨迹快速优化设计

介绍了基于五次Gauss-Lobatto多项式的直接配点法在再入飞行器三维轨迹最优化问题中的应用。首先给出了再入飞行器轨迹优化问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为到达指定地点飞行时间最短,控制变量则为无量纲升力系数和倾侧角。再入飞行过程中受到加热率、过载和动压约束,终端状态受到目标位置约束。然后,应用直接配点法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各节点和配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解。仿真结果表明直接配点法对于再入飞行器轨迹初始参数取值不敏感,且求解过程具有一定的实时性。     

基于非线性规划的空空导弹水平转弯轨迹优化

基于空空导弹的质点动力学方程建立了轨迹优化模型,并根据非线性规划优化算法的特点,对优化模型中的积分变量进行替换。采用一种改进的多重打靶法将轨迹优化问题转化为约束非线性规划问题,在此基础上采用广义乘子法和变尺度法求解满足各种约束条件的最优转弯轨迹。仿真结果表明,该轨迹优化方法实现了导弹在约束条件下的最短时间转弯,且所得结果符合运动学规律,对于离轴发射以及越肩发射的转弯问题具有一定意义。     

航天器对于接近碎片轨迹的高精度预报方法

航天器可以通过地面提前预报的方法获悉有威胁的空间碎片运行情况，并且通过事先机动的方法加以规避，但对于事先没有提前预警的“意外”接近必须采取应急措施进行规避，其前提条件是能够对这些碎片进行快速、精确的轨迹预报，选择适当的相对运动方程并进行参数辩识是其中关键步骤。本文对接近碎片轨迹的高精度描述模型进行了研究，在接近时刻前后使用相对运动方程加修正的方法得到了令人满意的结果，为航天器后继的参数辩识和进行有效的自主规避行为提供了基础支撑。     

一种以燃耗为优化目标的航天器在轨加注作业调度

针对基于空间燃料站的多目标航天器在轨加注任务,以GEO航天器为加注对象,对"多对多"模式的航天器在轨加注作业调度问题进行研究。首先以轨道转移燃耗为优化目标,考虑时间、燃料等约束条件,建立了在轨加注作业调度问题的数学模型。模型中,通过设计优化变量,结合多圈Lambert问题中速度增量与转移时间的关系,将航天器在轨加注作业调度问题转换成整数规划问题,在此基础上,采用遗传算法对其求解。然后以14颗GEO轨道航天器作为目标航天器进行数值仿真计算,并对仿真结果进行分析,验证解的正确性以及算法的可行性,结果表明算法能够有效地解决基于空间燃料站的在轨加注调度问题。     

航天器捕获制动过程的质量特性在轨辨识方法研究

针对航天器系统质量、质心位置和惯性矩阵的在轨辨识问题提出一种解决方法:将系统所有未知参数以组的形式进行划分,每组未知参数都可以转化为线性表示形式,从而将一个非线性系统的参数辨识问题转化为若干个线性的子参数辨识问题;用递推式最小二乘法对每个子参数辨识问题进行求解,在对某组参数求解时所需的其他未知参数则用其估计值代替。通过该方法可将复杂非线性系统转化为若干线性系统实现系统参数在轨辨识。通过数值仿真对采用推进器激励的航天器的总质量、质心位置和惯性矩阵进行辨识,验证了方法的有效性。     

Optimization of observer trajectories for bearings-only targetlocalization

The problem of bearings-only target localization is to estimate the location of a fixed target from a sequence of noisy bearing measurements. Although, in theory, this process is observable even without an observer maneuver, estimation performance (i.e., accuracy, stability and convergence rate) can be greatly enhanced by properly exploiting observer motion to increase observability. This work addresses the optimization of observer trajectories for bearings-only fixed-target localization. The approach presented herein is based on maximizing the determinant of the Fisher information matrix (FIM), subject to state constraints imposed on the observer trajectory (e.g., by the target defense system). Direct optimal control numerical schemes, including the recently introduced differential inclusion (DI) method, are used to solve the resulting optimal control problem. Computer simulations, utilizing the familiar Stansfield and maximum likelihood (ML) estimators, demonstrate the enhancement to target position estimability using the optimal observer trajectories     

空间机器人抓捕目标后的载荷分配

针对多臂空间机器人以软指接触形式抓捕目标后的情形,提出了一种综合考虑摩擦约束及机械臂能力约束的目标期望合外力的载荷分配方法。首先,建立空间机器人系统与目标的动力学方程,作为载荷分配问题的基础。然后,在地面机器人相关研究的基础上,建立机械臂末端与目标表面的软指接触模型,并建立二者之间的运动约束关系。为简化优化计算,将摩擦锥约束线性化,并建立考虑关节扭矩限制的机械臂能力约束,从而将抓捕力优化的非线性规划问题转化为线性规划问题。最后,采用双臂空间机器人模型进行数值仿真,表明所提方法针对目标各种形式运动进行载荷分配的有效性。     

基于罚函数序列凸规划的多无人机轨迹规划

多无人机（UAVs）轨迹规划是具有非线性运动约束和非凸路径约束的最优控制问题。引入序列凸规划思想,将非凸最优控制问题近似为一系列凸优化子问题,并利用成熟的凸优化算法进行求解,以更好地权衡最优性和时效性。首先,建立了多无人机协同轨迹规划的非凸最优控制模型。然后,利用离散化和凸近似方法将其转换为凸优化问题,包括对无人机运动模型的线性化,以及对威胁规避约束和无人机碰撞约束的凸化。同时,提出了一种离散点间的威胁规避方法,保证无人机在离散轨迹点间的飞行安全。在凸优化模型的基础上,给出了基于罚函数序列凸规划求解多无人机轨迹规划的具体框架。最后,通过数值仿真验证了方法的有效性,结果表明该方法在多机轨迹规划结果的最优性和时效性都要优于伪谱法,而且优势随编队数量的增加而增大。     

利用厄密特多项式的配置和非线性规划进行小推力最优变轨

提出了一种计算在反平方场中采用小推力变轨的最优轨道的直接方法,这种方法采用了近段发展起来的使用分段的多项式来代替状态和控制变量的直接优化方法,然后最优控制问题就转化成可以用数值方法解决的非线性规划问题。     

基于物理规划的高超声速飞行器滑翔式再入轨迹优化

 轨迹优化是新型高超声速滑翔式再入飞行器方案设计的关键技术之一。物理规划方法能够以较低的计算代价获得设计者偏好的多目标优化问题的折中解。基于该方法研究滑翔式再入最优飞行轨迹。首先介绍物理规划方法求解多目标优化问题的数学模型,然后将考虑射程最大、热载最小、热流密度峰值最小和弹道最稳定4个目标的再入最优轨迹问题纳入物理规划的框架求解。以某带翼锥形再入飞行器为例,通过计算并分析单目标优化结果,确定具体的偏好结构,采用遗传算法求解了考虑热流、过载、动压和终端条件约束的多目标最优轨迹。优化计算结果验证了物理规划方法的有效性。分析了沿最优轨迹飞行的物理原因和基本迎角控制规律,可为滑翔式再入飞行器的最优轨迹方案设计提供依据。     

Determination of optimal parameters of a moving wall on airfoil

A problem is posed and solved on determining the optimal parameters of a moving wall installed on the airfoil surface to prevent the boundary layer separation. As the wall parameters, its initial and final position and motion velocity are taken. To solve the problem, the optimization methods with penalty functions are used. The conclusions were drawn on selecting the efficient parameters of the moving wall in terms of the minimum of energy expenditure and friction drag.     

柔性杆系统压电扭转致动器/传感器优化配置研究

 针对空间柔性杆系统的扭转振动问题,提出了一类由柔性杆、电阻应变片传感器、压电扭转致动器组成的柔性杆系统。为了研究此系统的扭转振动,运用拉格朗日方程和假设模态法建立了系统的动力学方程。针对柔性杆系统中压电扭转致动器、传感器的优化配置问题,提出一种基于最小输入能量、最大能量传递、Grammian矩阵最小奇异值最大化的复合优化策略,采用遗传算法对致动器/传感器的位置进行了搜索,找到了最优位置位于柔性杆的根部。进行了数值分析研究,结果表明,与其他位置相比,最优位置最有利于致动器实施控制,同时也最有利于传感器的观测。     

垂直导航优化轨迹算法概述

本文首先叙述垂直剖面内优化飞行轨迹的一般计算方法,从确定飞行运动方程、选择控制变量、建立成本函数到变分法优化运算。然后以目前运输机和某些客机机载飞行(性能)管理计算机的软件为例(由DELCO公司开发,首先应用于C-130、C-135、C-141运输机,并在此基础上发展到用于DC-9-80客机上),说明一种简化的计算方法、轨迹综合。特别说明了性能优化运算POA软件如何制订出飞行计划表格,及在实时飞行中的数据更新和制导飞行。