直接优化算法在快速交会组合变轨策略中的应用

快速交会远程导引段轨道机动过程中,交会时间受限、考虑测控约束的最小燃料消耗脉冲交会属于多变量优化问题,需要建立一种混合的优化算法对问题求解。建立了基于Lambert双脉冲的多脉冲快速变轨策略模型,给出一种三步串行的混合智能优化算法对模型进行求解。首先利用粒子群算法搜到全局最优解的近似解;然后以全局最优解的近似解作为二体模型的初解,用序列二次规划算法对全局最优解的近似解进行局部优化,所得解为精度较高的精确解;最后以二体模型下所得的解为初值,用最小二乘法解非线性摄动约束的快速交会问题。使用三步串行的混合优化算法对基于轨道要素的变轨策略进行仿真验证与分析。仿真结果表明,该算法能够规划出椭圆轨道到圆轨道共面、两椭圆轨道异面以及考虑测控约束情况下的快速交会轨道机动策略。     

多GEO卫星接近观测任务规划

针对多GEO卫星接近观测任务,研究了时间约束下能量消耗最优的多任务规划问题.按照上层面向任务顺序安排,下层面向时间分配,建立了一对多任务模式下的二层非线性规划模型.基于双脉冲多圈Lam-bert交会原理,将下层连续变量时间分配问题转化为0-1整数规划模型,并设计了遗传-分枝定界算法来求解二层规划模型.仿真结果表明,通过...     

航天器多约束交会的仅测角导航最优多目标闭环制导

研究了航天器多约束交会的仅测角导航最优多目标闭环制导问题,优化目标包括交会时间、燃耗和仅测角导航可观性指标,并考虑了视觉传感器视场角、推力器推力幅度和最小安全距离等各种约束条件,建立了多约束、多目标优化下的仅测角导航和闭环制导问题的数学模型,分析了仅测角导航和闭环制导之间的耦合关系。最后,通过Matlab遗传算法工具箱中的多目标优化函数,求解得到了该多目标优化模型的Pareto最优解集,结果显示交会时间、燃耗和仅测角导航可观性指标不能同时达到最优,存在相互制约关系,即提高其中一种优化目标的性能会降低其他优化目标的性能。     

环月远程快速交会任务规划

针对载人登月返回任务中月面上升舱与指挥服务舱的环月远程快速交会问题,以共椭圆快速交会策略为标称策略,并给出摄动模型下的修正方法。给出考虑总交会时间约束、机动时间间隔约束和燃料优化效率的燃料最优共椭圆快速交会策略,以及考虑总速度增量约束、机动时间间隔约束和时间优化效率的时间最优共椭圆快速交会策略。通过算例仿真验证了共椭圆快速交会策略的可行性以及摄动模型下的交会精度,对共椭圆快速交会策略的总速度增量与交会时间的关系进行分析,并对比燃料最优和时间最优共椭圆快速交会对接策略,证明了优化策略的有效性。     

嫦娥五号月球轨道交会导引策略设计

嫦娥五号任务实现了国际首次月球无人轨道交会对接，本文详细介绍了其最终飞控实施所采用的交会导引策略的设计模型、方法和工程实现考虑。讨论了嫦娥五号月球轨道交会任务的工程设计约束和关键参数的确定，提出了一种月球轨道交会的交班点确定方法。提出了一种新的四脉冲交会策略，通过引入径向变轨控制量，固定各次变轨点位置，解决了在月球背面测控遮挡约束下确保各次变轨全过程测控可见的工程难题。针对新四脉冲方案，采用近圆轨道偏差方程提出了一种新的初值求解方法，构造了基于微分修正的精确数值求解算法，并推导了求解所需的状态转移矩阵的解析表达形式。建立了测控约束下的交会导引约束优化模型，获得了测控约束下的最优能量解，并揭示了问题的全局特性规律。给出了所提出方法在嫦娥五号实际任务中的应用，验证了此方法的正确性。     

考虑潜在威胁区的航天器最优规避机动策略

随着一系列轨道转移飞行器的工程化实施,航天器可能面临的非合作交会威胁日趋严重。针对该问题,根据交会机动的特点定义了新的规避机动指标——潜在威胁区,相较于传统的相对距离和碰撞概率等规避指标,潜在威胁区更适合航天器在面对非合作交会追踪器时进行规避机动,能够有效提升航天器的抗交会能力。首先,建立追踪器多脉冲最优交会模型,以此为基础给出潜在威胁区的定义与计算方法;然后,以潜在威胁区弧长为优化目标,建立了目标器最优规避模型,采用遗传算法进行目标优化;最后,根据所建立的双层优化模型进行数值仿真,以初始相距100km为初始条件进行仿真并计算得到了使潜在威胁区为零所需规避脉冲值,验证了文中模型的正确性,结果显示所定义的潜在威胁区弧长随着规避脉冲的增大呈严格的单调递减关系。研究为在轨航天器在面对非合作交会时提供了有效的规避策略,提升了航天器的空间生存能力。     

考虑观测的双冲量最优交会研究

针对跟踪星主动交会目标星的轨道转移问题,给出了考虑观测的双冲量最优交会迭代算法。首先对考虑观测的轨道交会问题进行了分析,给出了椭圆转移轨道的存在性判定方法。在此基础上,给出了基于粒子群的优化求解方案。经过对两异面椭圆轨道转移问题的仿真解算,求得了最优交会轨道,验证了算法的正确性。该研究成果可作为工程应用的有益参考,并为其他带约束的轨道交会优化问题提供可行的求解方案。     

混合遗传算法在航天器最优交会中的应用

推导了航天器双冲量交会时的优化模型,以此为基础构造了最优交会的燃料-时间混合优化指标,并针对基本遗传算法局部搜索能力不强的问题,提出一种将最速下降法与遗传算法相结合的混合遗传算法,其中下降搜索的优化方向利用每一代中最劣个体所包含的优化信息获得。数值计算表明,该混合算法可加速算法的收敛,具有良好的优化性能和函数适应能力。最后,对共面圆轨道双冲量交会情况进行了仿真计算,仿真结果表明混合遗传算法的设计是成功的。     

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。     

参考系在目标器轨道的临近圆轨道最优脉冲交会研究

在目标器质心建立临近圆轨道参考系的前提条件下,从地心引力下的二体运动入手,推导了相对运动的线性方程,并得到最优交会的必条件;然后分四脉冲、三脉冲带漂移、三脉冲、二脉冲带漂移、二脉冲、奇异问题几种模式研究了最优交会问题的边界值求解问题和各模式之间的边界确定问题。     

Optimization of multiple-impulse minimum-time rendezvous with impulse constraints using a hybrid genetic algorithm

The minimum-time multiple-impulse rendezvous with impulse constraints is investigated in this paper. Based on the Clohessy–Wiltshire (C–W) equations, an optimization model including several different kinds of impulse constraints such as the maximum impulse magnitude, the total velocity change magnitude and the time of imposing impulse for multiple-impulse minimum-time rendezvous is established. A generalized inverse matrix solution for linear equation is applied to avoid handling the terminal equality constraints. In order to obtain the global solution efficiently, a hybrid optimizer combining the advantages of a floating-coded genetic algorithm and simplex method is employed. A low-earth orbit multiple-impulse rendezvous problem is used as an example. The influence of the number of impulses, the optimization variables and the constraints on the solution is analyzed, and the different optimization algorithms are compared. Results indicate our proposed model and approach is effective in designing linearized minimum-time rendezvous trajectory with impulse constraints.     

非合作目标交会的双层MPC全局轨迹规划控制

针对空间非合作目标近距离视线交会中的全局最优鲁棒轨迹规划与控制问题,提出了基于高斯伪谱方法（GPM）和线性时变模型预测控制（LTVMPC）的双层模型预测控制（MPC）算法。在轨迹规划方面,以视线坐标系下的相对轨道动力学为模型、能量最少和控制精度最优为性能指标构建最优控制问题,利用GPM精度高、收敛速度快的特点将最优控制问题转化为易于求解的全局非线性规划问题,在MPC框架下求解得到全局最优的标称轨迹,克服了传统的MPC不适用于全局大范围非线性规划的缺点;在轨迹跟踪控制方面,考虑预测时域内状态转移矩阵的时变特性,设计了LTVMPC算法对标称轨迹进行追踪,避免了存在不确定性时轨迹的重规划,从而降低在线计算量,保证算法在线自主实施,并且采用滚动优化的策略使算法对不确定性具有鲁棒性。由于规划层和控制层考虑的约束相同,因此规划的轨迹是可控、可达的。数字仿真表明,在燃料消耗和交会时间等方面,提出的方法均显著优于传统的MPC方法,相较于传统的MPC方法,新算法的交会时间减少50%左右,燃料消耗降低30%以上。     

运用混合遗传算法的多机编队重构优化方法

多机编队重构优化除了要考虑终端状态约束、控制作用能量约束之外,还必须考虑安全防撞距离与通信保障距离的约束。在满足这些约束的前提下,提出了一种新的结合控制作用参数化与时间离散化(CPTD)方法和遗传算法(GA)的混合算法,将编队重构最优时间控制问题进行控制作用参数化和时间离散化处理,转化为带自由终端状态约束的离散型优化问题,并通过对传统遗传操作算子的改进,采用改进的遗传算法进行寻优,得到最优解。算例结果表明了该混合算法的有效性,其适用于编队重构最优时间控制问题。     

基于协同进化粒子群和Pareto最优解的卫星编队队形重构方法

针对卫星编队自主队形重构问题,提出了基于协同进化粒子群优化(CPSO)和Pareto最优解的求解方法.首先,使用Legendre伪谱法(LPM)将队形重构问题离散化为非线性规划(NLP)问题;其次,根据卫星编队的特点及碰撞规避的需要,使用CPSO算法对重构问题采用既独立又集中的求解方式,避免了传统优化方法对梯度的求解;...     

基于混合粒子群算法的上升段交会弹道快速优化设计

基于梯度搜索的高效性和粒子群搜索的随机性,提出了一种混合粒子群算法,并应用该算法研究了运载火箭上升段交会弹道快速优化设计问题.以运载火箭与目标飞行器在交会时刻的距离最小为目标函数,设计了运载火箭飞行程序,建立了运载火箭上升段交会弹道优化模型,同时分别采用混合粒子群算法、遗传算法和粒子群算法进行求解.仿真结果表明:基于本文算法对运载火箭上升段交会弹道进行优化设计,平均交会位置误差为4.137m,较遗传算法减少了17.940m,平均优化耗时488.922s,较粒子群算法缩短了2342.125s.混合粒子群算法搜索速度较快,收敛精度较高,可用于运载火箭上升段交会弹道的快速优化设计.      

Robust control for constant thrust rendezvous under thrust failure

A robust constant thrust rendezvous approach under thrust failure is proposed based on the relative motion dynamic model. Firstly, the design problem is cast into a convex optimization problem by introducing a Lyapunov function subject to linear matrix inequalities. Secondly, the robust controllers satisfying the requirements can be designed by solving this optimization problem.Then, a new algorithm of constant thrust fitting is proposed through the impulse compensation and the fuel consumption under the theoretical continuous thrust and the actual constant thrust is calculated and compared by using the method proposed in this paper. Finally, the proposed method having the advantage of saving fuel is proved and the actual constant thrust switch control laws are obtained through the isochronous interpolation method, meanwhile, an illustrative example is provided to show the effectiveness of the proposed control design method.     

直升机单发失效后自转着陆轨迹优化

建立了直升机单发失效后增广的纵向三维刚体飞行动力学模型,通过选择合适的目标函数、路径约束和边界约束,将自转着陆问题表示成非线性最优控制问题,使用非线性规划方法求解得到自转着陆的最优轨迹和操纵.以UH-60直升机为例,首先计算了自转着陆距离最短的最优解,并与二维点质量模型进行对比.结果表明三维刚体模型在旋翼转速、旋翼拉力...