多冲量近程交会最优化模型

文章基于Lawden方程对椭圆参考轨道的近程最优交会问题进行了研究,并提出了一种混合遗传算法求解最优近程交会问题。首先在一定假设条件下给出了目标在椭圆参考轨道的近距离相对运动模型——Lawden方程,构建了多脉冲最优交会问题模型并进行了理论分析。性能指标选为轨道交会过程中燃料消耗和时间消耗加权最小的多目标优化指标,优化参数为脉冲大小和脉冲施加时刻,终端状态受到相对位置和相对速度的约束。然后介绍了具有较强全局和局部寻优能力的混合遗传算法。最后以四脉冲为例进行仿真计算。仿真结果表明,是否考虑第一次脉冲位置,总燃料消耗变化不明显。因此,追踪航天器一旦捕获到目标信息即可施加第一次脉冲。仿真结果还证明了混合遗传算法在求解最优交会问题时的有效性。因此,混合遗传算法对基于Lawden方程的椭圆参考轨道近程最优交会问题的求解可行。     

燃料受限的时间最优多脉冲交会问题

主要研究了时间最优多脉冲交会问题中最优交会时间和最优脉冲数随各因素的变化规律.建立了考虑路径约束的数学模型,并利用遗传算法对问题进行了求解.在此基础上通过大量的数值计算研究了共面圆轨道间交会问题中各因素(包括轨道半径比、初始相位差、燃料以及路径约束)对最优交会时间和最优脉冲次数的影响,并总结出了最优交会时间和最优脉冲数随各因素的变化规律.根据最优交会时间随各因素变化的曲线较为"平缓"(均为单调或只有一个极值)的事实,指出可以利用较少的特征点通过插值的方法来快速求解最优交会策略.结论对于空间营救和在轨规避等实际任务的轨道设计具有一定的参考价值.     

基于遗传算法的最优Lambert双脉冲转移

研究了初始位置和转移时间不固定的Lambert双脉冲轨道转移的数值解,用三 维图和截面图直观显示了初始位置、转移时间和速度增量的关系,并说明了其在实际工程任 务中的应用价值.基于数值解,提出了Lambert双脉冲轨道转移的优化问题.目标是找到最 优初始位置和转移时间,使燃料和时间的加权和最小.给出了遗传算法求解该优化问题的设 计步骤.该算法应用于2个算例:①平面圆轨道的燃料最优转移,并将遗传算法和Hohmann 转移的结果进行了比较;②椭圆轨道、初始位置有约束的燃料和时间最优转移.结果说明 了遗传算法寻找最优转移解是准确有效的.      

摄动椭圆参考轨道上的最优精确交会

针对椭圆参考轨道附近的交会问题,给出了数值梯度寻优算法和遗传寻优算法用于确定最优转移时间和最优双脉冲,并解决了双脉冲半圈交会和整圈交会的奇异问题.在此基础上,考虑地球J2带谐项对相对运动的影响,给出了采用线性梯度的迭代算法,并将其用于摄动下的燃料最优双脉冲交会制导.采用不同偏心率的参考轨道进行了交会仿真,结果表明该迭代...     

基于引导型人工免疫算法的最优Lambert变轨

主要研究了燃料最省的Lambert双脉冲变轨问题.首先对普适变量法进行改进以避免奇异,并将其用于Lambert双脉冲变轨问题的求解.然后针对只给定初始时刻追踪航天器和目标航天器的轨道要素及总时间约束的交会问题,引入调相时间的概念,并将其和转移时间作为Lambert变轨的优化变量.最后采用引导型人工免疫算法GAIA(Guiding Artificial Im-mune Algorithm)对该优化问题进行寻优.仿真算例表明,与自适应遗传算法AGA(Adaptive Ge-netic Algorithm)相比,GAIA具有更强的寻优能力和更快的寻优速度,从而验证了GAIA用于最优Lambert变轨的有效性.     

一类最省燃料优先的多圈飞行脉冲交会

通过分析采用多圈飞行Lambert解的双脉冲交会的特征速度与转移轨道半长轴的关系,指出其最优解实际上是2N+1条满足时间约束的转移轨道中燃料较省的,而非最省燃料轨道.提出将双脉冲交会的首次脉冲矢量分解成方向相同的两次脉冲,使得追踪器在特定的滑行轨道飞行N圈以消耗多余的转移时间,利用剩余的转移时间沿最省燃料轨道与目标交会.几何上证明了这种交会的特征速度与最省燃料转移相同,并且给出了解的存在性条件.通过仿真验证了这种交会比采用多圈飞行Lambert解的双脉冲交会更省燃料,解的存在性对转移时间的长度要求更低.     

能量最优与燃料最优Lambert交会问题

Lambert双脉冲交会问题是航天工程中轨道转移和在轨交会等领域的重要问题,而能量最优和燃料最优Lambert交会问题是针对典型应用背景和工程需求衍生的一类Lambert优化问题。针对能量最优与燃料最优Lambert双脉冲交会问题提出一种基于矢量形式的解析计算方法,给出能量最优和燃料最优Lambert交会问题的矢量形式解析解,同时对2种最优交会问题求解的性质与特点进行了分析对比。仿真结果验证了计算的正确性及燃料最优轨道相比能量最优轨道燃料消耗较少的事实。      

基于粒子群算法优化双脉冲绕飞问题

以Hill方程为基础对圆轨道近距离双脉冲绕飞优化问题进行研究.首先给出双脉冲绕飞的优化模型并推导分析得出待优化的变量,同时构造了燃耗和时间加权的性能指标函数并考虑安全约束,然后设计了粒子群优化算法对绕飞过程进行优化,最后通过对-V-bar到＋V-bar、＋ R-bar、＋H-bar的绕飞进行仿真获得燃耗和时间加权最优的安全绕飞轨迹,与遍历寻优结果一致,由此验证了粒子群优化算法的有效性.     

行星着陆动力下降轨迹优化的中心差分凸化方法

针对行星定点软着陆实时在线制导的任务需求,设计了基于序列凸优化的动力下降燃料最优轨迹求解算法.算法采用预标记的中心差分法线性化动力学方程,并提出将性能指标相对偏差作为收敛终止条件,能够快速生成燃料最优轨迹.此外,在分析最优轨迹簇剩余燃料和终端时间关系的基础上给出其拟合函数,作为最优终端时间的近似估算,以减少算法求解未知...     

月面起飞快速交会远程导引制导律设计

针对月面起飞后的快速交会远程导引任务,设计一种基于高斯摄动方程的双脉冲制导策略.首先推导了轨道修正的控制方程,然后结合远程导引的时间约束方程推导出了双脉冲制导的非线性方程组.为了获得速度增量最小解,设计规划变量,将非线性方程组的求解问题转化为非线性规划问题,并通过序列二次规划算法对最优解进行求解.为了提高制导精度,采用迭代修正的方法对制导过程进行优化.最后,通过数据仿真,对基于高斯摄动方程的双脉冲制导策略的正确性进行校验,并与Lambert直接转移策略进行了比对.仿真结果表明,相比于Lambert直接转移制导策略,基于高斯摄动方程的双脉冲制导策略可以有效地完成快速交会远程导引任务,制导精度和燃料消耗得到了改善.     

飞机燃油测量传感器优化布局技术

实时、准确地测量出飞机各油箱的剩余油量,对飞机飞行安全十分重要.为了提高飞机燃油的测量精度,设计了一种基于粒子群算法(PSO)的燃油测量传感器优化布局方法.首先,引入燃油实体的概念,建立了某机翼复杂、带隔断多腔油箱CAD模型及箱内燃油实体模型;其次,基于Unigraphics NX(UG)二次开发,完成了飞机不同姿态下、复杂不规则多腔油箱燃油体积的解算;再次,提出了飞机油箱最大燃油可测区(LMR)的概念,并以此作为优化目标进行传感器优化布局;最后,引入可设置边界距离因子(BDF),解决了传感器布局时与油箱壁距离过近的问题.结果表明,该方法实现了多根燃油传感器的布局,可以不受油箱形状和大小的限制,有效避开了油箱内部的干涉区域,保证不同飞行姿态下油量测量的连续性,并使得飞机燃油的可测范围达到较高水平.      

柴油机喷油系统压力波时频特性研究

在柴油机喷油系统压力波的研究中,采用Wigner-Ville分布算法,对液-汽两相流条件下的柴油机喷油系统压力波的时频特性进行了分析,并与采用小波函数分析得到的结果进行了对比.研究结果表明,采用Wigner-Ville分布算法进行分析时,可以更好地显示出液-汽两相流条件下的柴油机喷油系统中压力波在时间和频率范围内的能量密度,能更清晰地反映出这种非稳态信号频率随时间变化的关系.当喷油系统存在长时间存活汽泡时,压力波的能量密度主要集中在主波上,除了低频率的能量外,还包着相当一部分较高频率的能量.而压力波次波则没有高频能量的出现.当喷油系统存在短时间存活汽泡时,其压力主波对应的频率较低,但能量密度比较大,而其压力次波具有一定量的高频率能量.      

基于等效传感器和插值法的燃油量测量算法

以某型号飞机的机身油箱为例,提出了等效虚拟传感器的方法,将多根传感器测量值所确定的燃油面,用油箱中某个特殊位置的一虚拟传感器的值等效表示.建立虚拟传感器长度、飞机姿态中俯仰角和横滚角与燃油体积关系的三维数据表,利用插值的方法得到燃油量的近似值.利用Solidworks三维辅助设计软件对运用等效原理和插值法得到的燃油量进行验证,结果表明该方法测量精度高,计算结果可靠.而且等效原理的利用,使插值法涉及的数据量大大减少,达到了压缩数据的目的,便于在实际系统中的实现.      

高速运载器燃油热管理系统优化

燃油热管理系统设计随着运载器多电化与机载高能电子设备的发展已经得到高度重视,其中燃油的热承载能力是最关键因素。针对喷气推进式高速运载器,提出了一种大范围、多任务的燃油热管理系统多目标优化配置方法,其以热沉利用率最高和燃油质量代偿损失最小为目标函数,以循环回路的燃油最大质量流量、冷却水携带量和机载热负荷发热量为优化变量,采用改进的遗传算法NSGA-Ⅱ,在不同飞行任务规划下进行双目标优化设计,所获得的目标函数Pareto最优解集,满足预期的燃油热管理系统模式选择原则,且通过分析优化变量与优化目标间的相关性,可以量化燃油热管理系统优化配置准则与可达到的最小燃油质量代偿损失,可应用于支持多热沉重构的机载高效燃油热管理系统。      

Trajectory optimization for asteroid landing with two-phase free final time

This work develops an autonomous trajectory planning algorithm for 6-DOF asteroid landing. The trajectory planning problem is formulated as a nonconvex time-optimal optimization problem with two-phase free final time, while the cost is regularized by augmenting a fuel consumption penalty. The nonconvex optimization problem is solved in successive solution method, and successive convexification is used to convert the original nonconvex problem into a sequence of convex subproblems, where each subproblem is obtained by linearizing the nonconvex dynamics and state constraints and using the velocity increment to give a convex expression of the fuel consumption penalty in cost function. Specifically, in the linearization, we divide the flight time interval into two parts and normalize each part using a time dilation coefficient to solve the problem that both the final times for the two flight phases are unknown, so that the original free final time problem turns to a fixed-time problem by minimizing the sum of the two time dilation coefficients and fuel consumption penalty. Besides, trust regions and virtual control are used to increase robustness of the algorithm. A convergence analysis is presented which indicates the successive solution will recover the local optimality of the original problem. Then the validity of the proposed algorithm and effects of different factors on flight time and fuel consumption are examined by simulations of landing on an irregular asteroid.     

Spacecraft fuel-optimal and balancing maneuvers for a class of formation reconfiguration problems

This paper presents fuel optimal and balancing methodologies for reconfiguring multiple spacecraft in formation subject to a Newtonian gravity field. For a kind of continuous-thrust propulsion system, a fuel-optimal control problem is formulated to minimize the integral squared control subject to the linearized Hill or Clohessy–Wiltshire dynamics of relative motion with respect to a circular reference orbit. Palmer’s analytical solution for general reconfiguration is adapted to maneuvers between projected circular orbits, resulting in the optimal fuel consumption index as a function of configuration parameters such as orbit radius, phase angle, and transfer time. Parametric analyses reveal unique characteristics of individual fuel optimality and gross fuel consumption: for an arbitrary selection of initial/terminal orbit radii, (i) there exist special transfer times such that individual fuel consumption is optimally uniform for all phase angles, and (ii) the total fuel expenditure for a group of three or more spacecraft is invariant for the relatively same configuration with respect to the departure phase. These results serve to effectively design fuel balancing strategies for formation reconfiguration of multiple spacecraft.     

基于无源性的带液体晃动月球着陆器的姿态控制

针对带液体晃动的月球着陆器提出了一种基于无源性的姿态控制方法.分析了由拉格朗日力学建立数学模型的带液体晃动的月球着陆器系统的特性,并证明了该系统的无源性.无源性保证了系统的输入输出稳定性,提出的Lyapunov函数保证了系统的内部稳定性.根据系统的无源性和提出的Lya-punov函数推导出基于无源性的控制方法.仿真结果表明,该方法能很好地达到控制效果.     

基于遗传编程的航天器有限推力逼近轨迹规划

通过引入基函数的概念,提出了采用遗传编程求解有限推力航天器逼近非合作目标最终逼近段轨迹规划问题的方法。该方法将推力器开关状态定义为基函数,以多个基函数分别乘以开关状态持续时间再求和作为推力器开关的历程函数;将历程函数转换为遗传编程的树型结构,将消耗燃料的质量作为适应度函数,并将规避障碍物和终端逼近精度等约束条件以罚函数的形式添加到适应度函数中;利用遗传编程的模拟自然进化理论的全局寻优机制求解,最终得到最优逼近轨迹方案。某航天器在有限推力下逼近非合作目标的轨迹规划结果表明:整个逼近过程推力器仅开关5次,大大降低了对开关频率的要求,同时,规划结果比采用高斯伪谱法时逼近时间降低了30.09%,燃料消耗降低了4.18%。      

基于目标导向的连续型机器人路径规划

采用连续型机器人对空间约束严格的飞机油箱进行检查,研究了其在类似凸体空间内的路径规划问题,提出一种基于目标导向的规划算法.针对空间盲目搜索算法时间复杂度高问题,研究降维和区域划分策略.引入目标导向角,建立目标点与变量搜索范围的关系,优化搜索过程并设计评价函数对搜索结果寻优.进行仿真实验,结果验证了算法的可行性和有效性.