DE算法在空间交会中的应用

在第一次脉冲位置可变的条件下,用差异演化(DE)算法实现航天器双冲量交会的优化。根据C-W方程建立双冲量交会模型,用时间-能量加权法计算混合优化指标。给出了所设计DE优化算法的编码、生成初始种群、变异、交叉、辅助和选择等操作步骤。仿真结果表明,DE算法较基本遗传算法(GA)能更有效地获得最优解。     

基于任务规划的有限推力燃料最优交会

给出了空间交会冲量机动任务规划及基于该任务规划的有限推力燃料最优交会算法。首先,以双冲量空间交会作为问题的初步模型,采用Battin-Vaughan算法对追踪器初始位置和飞行时间的组合进行遍历计算,通过分析特征速度等值线图,进行空间交会的任务规划,为有限推力燃料最优交会提供重要的初值条件。基于任务规划分析,建立了有限推力燃料最优交会的最优控制模型,根据庞特里亚金极值原理将最优控制问题转化为两点边值问题,采用共轭梯度算法进行数值求解。在变轨时间固定、连续变推力的情况下,以总冲最小、满足终端位置和速度约束为指标,对推力大小和方向进行优化。通过数值仿真,得到了一些重要的结论,为工程应用提供了一定参考价值。     

基于激光雷达测量的空间交会对接相对导航

激光雷达可以作为空间交会对接过程中的相对导航敏感器之一。本文基于线性H ill方程和经典双脉冲交会理论,给出一种两航天器多脉冲交会算法。结合激光雷达的测量值设计相对导航EKF滤波器。仿真结果表明通过滤波,激光雷达能够为航天器交会对接提供足够精度的相对位置和相对速度信息。     

全太阳系深空探测轨迹全局优化(英文)

针对太阳系中全部的248997颗行星的探测问题,给出了一种关于探测飞行器的深空探测全局四维轨迹(t,x,y,z)优化方案,即飞行器从地球发射进入太阳系并采用小推力控制,优化方案的性能指标为飞行器与太阳系中全部行星中相遇和交会的星的数量最多并且燃料消耗最少。本方案给出了四维飞行轨迹进行全局优化的一套算法,该算法由搜索算法和四维轨迹优化算法组成。此搜索算法从太阳系的248997颗行星中寻找获得尽可能多的经过近地球3维走廊内的行星;而四维轨迹优化算法由改进的动态规划算法、基于最优控制理论的共轭梯度算法和静态参数优化算法组成,其中静态参数优化算法用于搜索最优发射时间窗口。基于该组合算法,通过长时间的大规模的飞行数字仿真,最终计算出探测器的四维最优飞行轨迹,在一年内路过了太阳系中全部行星中的12颗行星。     

多脉冲C-W交会的优化方法

在航天器的近距离交会中,常采用C-W交会的方法.本文发展了多脉冲C-W交会.建立了一般情况下的优化模型,并进行了分析.为了减少优化变量,提出了三种速度脉冲施加模式：切向、径向、变径向.提出了一种简单的误差修正方法：通过修正计算的目标位置而减小仿真误差.在实际算例中采用了遗传算法.针对多个初始状态,不同的脉冲次数进行了仿真计算,并与文献中的算法进行了对比,精度有了进一步的提高,结果证明优化模型是可行的,可以应用于多种情况.     

航天器近距离相对运动轨迹设计与控制

航天器近距离相对运动是当前航天领域的重要研究热点。针对圆(近圆)轨道目标航天器,综合利用C\|W方程、脉冲控制和优化理论,系统地解决了航天器相对运动的轨迹设计与控制问题。从C\|W方程解析解出发,给出了自然轨迹和受限轨迹的数学描述;以此为基础,考虑碰撞避免,研究了全局绕飞轨迹和局部限制轨迹的设计与控制。对于全局绕飞轨迹,研究提出了自然椭圆绕飞、自然螺旋绕飞、单脉冲“水滴”形绕飞、多脉冲圆形绕飞和多脉冲“田径场”形绕飞五种轨迹模式;对于局部限制轨迹,研究提出了自然椭圆V\|bar限制轨迹、单脉冲 R\|bar 限制轨迹和多脉冲任意方位限制轨迹三种模式。分析了每种轨迹模式的形成过程和能量消耗,给出了每种轨迹的设计参数,利用仿真算例验证了有效性。此外,对多脉冲圆形绕飞轨迹和多脉冲任意方位限制轨迹,建立了脉冲位置和脉冲时间间隔的优化模型。
     

基于混合遗传算法的多冲量最优变轨

针对航天器多冲量最优变轨问题,建立了多冲量最优变轨的数值优化模型,给出了一种遗传算法(GA)与序列二次规划算法(SQP)结合的混合优化算法.该算法不需初值猜测,全局和局部搜索能力强并且计算效率高.仿真计算了燃料最优交会和时间最短拦截问题,比较了GA,SQP以及混合遗传算法的性能.针对混合遗传算法得到的不同冲量次数变轨的优化结果,分析了冲量次数对变轨性能指标的影响.结果表明混合遗传算法综合性能最高,冲量次数对不同性能指标的影响不同.仿真算例验证了模型和算法的有效性.     

一种航天器交会与接近路径规划算法

针对非合作交会与接近任务中近程导引段航天器的三维路径规划问题,提高其在多约束条件下的寻优性能,提出一种融合混沌映射、自适应随机动态扰动、随机探索机制以及反向学习策略的混合蝙蝠算法。首先,利用Circle混沌映射进行种群初始化,提高种群多样性;在全局搜索中引入自适应随机动态扰动系数,并在位置更新时进行位置限定,提高算法全局寻优的性能;在局部搜索中融入柯西分布的逆累积分布函数,避免算法进入局部最优。同时,引入分段随机的反向学习策略,进一步提高种群多样性,平衡全局寻优与局部探索的性能。然后,以基于升序排列的路径节点进行三次样条插值编码,构造躲避障碍物求解航天器三维路径的适应度函数,结合混合蝙蝠算法求得平滑路径曲线。最后,通过对比仿真表明了所提方法的最优路径次数较对比算法增加,最差路径次数减少,路径平均解减少。     

空间轨道交会非线性优化方法研究

利用非线性规划方法研究了多脉冲最优轨道交会问题,考虑地球扁率J_2摄动影响,建立普遍适用的空间飞行器数学模型。以迭代的方法确定空间预定交会点,在此基础上建立了用于求解多脉冲最优轨道交会的非线性规划模型,并对双脉冲固定时间交会轨道进行优化,得到了最优速度增量的大小、方向和作用时间,通过仿真与Lambert轨道规划方法进行比较,验证了此方法的有效性和优越性。     

临近空间高超声速无动力滑翔飞行器最优轨迹设计及制导研究

建立了临近空间飞行器无动力飞行理想运动模型及阵风干扰作用运动模型;通过共轭 梯度优化算法设计了飞行器基于多约束条件的最优轨迹;利用基于线性状态调节器（RQL） 制导方法实现阵风干扰作用下纵向与侧向参考轨迹的同时跟踪。仿真结果表明,本文的轨迹 优化算法能在很短的时间内优化出最优轨迹且具有很好的收敛性;采用的制导算法能实现各 种强度阵风干扰作用下的轨迹跟踪,具有很强的鲁棒性。     

多目标融合的冗余空间机械臂碰前轨迹优化

面向在轨对接与装配任务,提出了多目标融合的冗余度空间机械臂碰前轨迹优化方法。通过分析任务特点,阐述了空间机械臂碰前的多重任务目标。针对由空间机械臂连续轨迹跟踪、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第一类任务,通过设置任务优先级融合多目标并采用基于主任务零空间的方法实现对碰前轨迹的优化;而对由空间机械臂点到点规划、碰撞姿态控制及碰撞冲量幅值优化三个目标组成的第二类任务,通过设置任务权重将多目标融合并采用遗传算法对碰前轨迹进行优化。以典型七自由度机械臂为例开展仿真实验,验证了提出的轨迹优化方法的有效性。     

星历模型下地月自由返回全飞行过程轨道设计

面向载人登月任务需要,针对星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道设计问题进行了研究。在三体模型下对地月三维自由返回轨道进行了求解,得到了地月空间内的自由返回轨道分布情况。在二体模型假设下对近月段的三脉冲变轨进行了求解,给出了变平面机动的计算方法。进一步提出了两轮逐次优化修正策略,分别以高度和再入走廊为主要约束,采用内点法和SQP算法在高精度星历模型下对自由返回轨道初值进行逐次优化修正。之后,采用SQP算法在星历模型下对近月三脉冲变轨进行优化修正,得到了星历模型下的自由返回+近月三脉冲变轨地月转移策略。仿真校验结果表明本文提出的方法能够在给定约束下有效求解星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道,为载人登月任务的转移轨道设计提供参考。     

空间多目标拦截交会平台停泊轨道设计优化

针对空间多目标交会(拦截)平台停泊轨道设计问题,定义有效交会(拦截)区作为衡量平台交会(拦截)目标能力的指标,提出并建立了该类空间平台停泊轨道设计优化和分析模型,采用多岛遗传算法(MGA),以有效交会(拦截)区的最大化作为优化目标,以可交会(拦截)目标的数目和子飞行器轨道转移所需要的脉冲速度增量等为约束条件,对该类平台停泊轨道要素和子飞行器变轨时机进行综合设计优化。将上述模型和算法用于两空间平台设计中,一个是针对低轨2目标的交会平台,另一个是针对中轨3目标的拦截平台,得到合理的结果,表明所提出的设计优化模型以及选择的寻优算法是有效的。     

Opportunity options for rendezvous,flyby and sample return mission to different spectral-type asteroids for the 2015–2025

The feasible rendezvous, flyby and sample return mission scenario to different spectral-type asteroids for the 2015–2025 are investigated. The emphasis is put on the potential target selection and the design of preliminary interplanetary transfer trajectory in this paper. First, according to different scientific motivations, some potential targets with different spectral-type and physical property are selected. Then, some optimal rendezvous and sample return opportunities for different spectral-type asteroids are presented by using pork-chop plots method and Sequential Quadratic-Programming (SQP) algorithm. In order to reduce the launch energy and total velocity increments for sample return mission, the Earth swingby strategy is used. In addition, the feasible trajectory profiles of flyby and rendezvous with two different spectral-type asteroids in one mission are discussed. A hybrid optimization method combing the Differential Evolution (DE) algorithm and SQP algorithm is introduced as a trajectory design method for the mission. Finally, some important parameters of transfer trajectory are analyzed, which would have a direct impact on the design of spacecraft subsystem, such as communication, power and thermal control subsystem.     

面向木星卫星交会任务的探测器飞行路径规划

针对探测器在木星系统内多次借力的飞行路径和轨道优化设计问题,提出了一种基于三层优化思想的飞行路径规划方法,该方法可根据给定的任务约束和交会目标,自动搜索探测器在木星系统内的借力飞行序列,同时完成标称飞行轨道的优化设计。首先,文章在给定轨道动力学模型和木卫借力模型基础上,建立了面向木卫交会任务的两次借力飞行轨道优化设计模型和求解方法;然后,采用结合遗传算法、全局遍历和贪婪算法的三层优化设计思路,给出了一种环木飞行路径规划方法;最后,以木星四颗卫星的交会任务为例进行了仿真分析。仿真结果表明：针对木卫的交会任务,探测器速度增量需求随木卫借力次数的增多,呈现先显著减小后逐渐增大的现象;探测器采用多次木卫借力的策略,可显著降低探测器的速度增量需求;探测器速度增量达到最优之后,借力目标收敛于交会目标,且速度增量随借力次数的进一步增多而逐渐增大。     

基于改进伪谱反馈控制的远程变轨闭环制导

利用最优反馈控制和轨迹快速重构技术,设计一种有限推力空间远程变轨自适应闭环制导方法。首先给出了最优反馈控制的求解原理和必要条件。将空间变轨动力学模型特点和伪谱法相结合,设计基于状态量缩减的计算效率改进策略以提高轨迹优化的实时性。基于改进伪谱法进行逐次轨迹快速重构,利用开环最优解形成闭环反馈,从而保证制导指令的实时更新,并通过引入控制逻辑改进制导算法。远程交会仿真表明,该闭环制导方法在保证任务指标具有一定最优性的同时,可以有效抑制多种参数不确定性和外界干扰的影响,具有较高的制导精度、自适应性和鲁棒性。     

Missions to the asteroid anteros and the space of true anomalies

Three opportunities for missions to rendezvous ballistically with the Earth-crossing asteroid Anteros are studied to illustrate the requirements for a trip to a near-Earth minor planet. The rationale, sample payload, spacecraft requirements and trajectory characteristics of these opportunities are typical of a rendezvous mission to an accessible near-Earth object. Round trip ballistic trajectories to return small samples of the asteroid with launch dates between 1985 and 2000 are also presented. Contours of minimum total ΔV drawn in the space of launch and arrival true anomalies, given the designation Prime Rib curves, are introduced as a useful tool for mission design.     

载人机动装置救援轨迹优化设计

本文研究宇航员携带舱外机动装置（ＭＭＵ）进行舱外飞行，营救脱离空间站的目标，随后返回空间站的Ｈｉｌｌ制导方法。根据最小燃料指标，精度要求和时间约束，优化设计ＭＭＵ出舱营救脱离空间站的宇航员或其它装置的飞行轨迹。求出１７种典型情况下的最小燃料解，提出了救援轨迹设计准则。本文分析了ＭＭＵ交会目标过程中，导航和控制误差对Ｈｉｌｌ制导瞄准误差的影响，提出了用多脉冲Ｈｉｌｌ制导按标称最优轨迹飞行的设计方案，     

连续推力机动轨道优化设计的贝塞尔曲线法

提出一种基于贝塞尔曲线的平面机动轨道设计方法。该方法将贝塞尔曲线方程与轨道形状方程相结合，利用得到的复合函数作为轨道方程来对机动轨道进行数学描述；通过约束条件获得可行的机动轨道族，由控制点设计给出具体的优化变量，将累积速度增量作为优化指标函数；并利用优化算法完成参数优化，从而得到最优机动轨道。最后针对设计的机动轨道推力峰值较大的问题，进一步提出了分段贝塞尔曲线法，在降低推力峰值的同时，可进一步降低燃料消耗，并在平面机动转移轨道设计的基础上，通过梯度下降对自由控制点进行修正，解决了考虑时间约束的平面轨道交会问题。