一种多级全固体运载火箭上升段自主制导方法

针对多子级全固体运载火箭在终端多约束下的耗尽关机制导问题,设计了一种基于“助推-滑行-助推”飞行模式的真空段自主制导方法。根据轨道动量矩守恒定律,推导出一种同时具有速度和位置矢量约束的定点制导算法(PA)。在PA理论基础上,建立了满足能量匹配的滑行轨道非线性方程组并降阶至一维迭代求解,解决了多级固定总冲约束的两点边值问题。蒙特卡洛仿真结果表明：该算法对固体运载火箭模型的参数偏差和不确定性具有强鲁棒性,并对多终端轨道任务(不同轨道高度和不同载荷质量)具有较强的自适应能力,因此该算法具有重要的理论意义和工程应用价值。     

一种适用于目标圆轨道的空间变轨迭代制导算法研究

迭代制导方法在运载火箭上升段入轨问题中已有成熟应用。本文针对空间变轨任务,提出一种适用于目标轨道为圆轨道情形的,以轨道要素为终端约束的迭代制导方法。在迭代制导方法的基础上,以推力方向矢量为控制量,推导直接以目标圆轨道的轨道要素为终端约束的边界条件,得到一种简单有效、适应大姿态角变化的迭代制导算法。通过仿真验证了改进方法的有效性和较高的入轨精度。     

低轨航天器中继测控终端固定宽波束天线覆盖研究

数据中继卫星运行在地球静止轨道,可作为低轨航天器在地面站视距外测控通信的数据中继接力。针对中继小型测控终端的需求,文章设计了两种不同的固定安装的宽波束中继终端天线,一种为简单锥形波束,另一种为赋形的复杂环锥形波束。结合低轨航天器不同倾角的轨道特性和终端天线不同的方向图类型,应用STK卫星仿真软件进行了不同组合的链路仿真分析,给出了不同轨道倾角的航天器与中继卫星长时间建立链路的最优天线方向图及其设计特性。链路仿真的参数包括总的建立链路时间、建立链路的次数及建立链路的区域等,仿真结果对于低轨中继终端的应用具有重要的指导意义。     

基于轨道动态模型的卫星天线指向功能测试方法

针对卫星天线指向算法工程实现准确度测试中存在的数据时间偏差处理问题,提出一种基于轨道动态模型的卫星天线指向功能测试方法。通过对时间偏差模型的分析,实现对由卫星发出的带有时标的指向角度遥测信息和没有时标的指向角度控制信号相对于卫星指向计算理论角度的误差测试;通过时间偏差消除算法成功将无时标数据的误差测试结果与有时标数据误差测试结果保持一致。在对同一轨道条件测试时,两类数据测试结果均在0.001°之内,可实现对卫星天线指向算法工程实现准确度的可靠测试。     

一种小卫星过顶预报算法

针对小卫星地面便携式通信终端的嵌入式编程环境存储量有限的情况，介绍了过顶预报算法。该算法在不影响精度的情况下忽略卫星轨道预报算法的高阶摄动项，节省了软件存储量；同时用改进的搜索算法，大大缩短了过顶时间段的搜索时间。该算法的应用使得手持终端减少了能耗，缩短了捕获载波频率的时间。     

考虑任务聚类的多星观测分阶段调度方法研究

单个轨道圈次内星上能量和侧摆次数有限,在卫星观测调度时考虑任务聚类可以提高观测效率。分析了满足用户分辨率需求下多任务聚类的约束条件,并对聚类任务的时间窗口和侧摆角度进行了合理优化。提出了先聚类后调度再修复的分阶段求解策略:首先用团划分聚类算法和启发式插入聚类算法把多星多轨道圈次观测调度问题转化为单星单轨道圈次观测调度问题,然后采用基于时间序无圈有向图的多准则优化卫星调度方法求解单星单轨道圈次调度问题,最后提出一种修复策略进一步优化调度结果。案例仿真表明,提出的方法可行,能够提高卫星的观测效率。     

一种小型固体运载火箭末级多约束制导方法

针对耗尽关机的固体运载火箭末级多约束制导问题,提出了在真空飞行段设计一种具有速度管控能力的多约束制导方法。同时针对速度管控引起的状态矢量耦合问题,基于定点制导算法推导出一种适用于耗尽关机制导的拓展理论算法,通过求解交变姿态速度管控方向实现对耦合项的抑制;并对大气层外“助推-滑行-助推”的任务模式,在此理论基础上推导出滑行点火时间、〖JP2〗需要速度矢量与终端轨道根数之间的理论关系,解决了固体运载火箭在固定弧长条件下的两点边值问题。蒙特卡洛仿真结果表明：该制导算法对不同载荷任务具有较强的适应能力,对模型的参数偏差及不确定性具有高制导精度和强鲁棒性,因此该算法具有一定的理论意义和工程应用价值。     

持续推力时间最优轨道机动问题的改进鲁棒算法

针对采用持续推力进行轨道机动的时间最优问题,研究了一种用于估计两点边值问题初始值的有效方法--鲁棒算法（Robust Algorithm) 。指出了该算法在用于求解最优轨道机动问题时对于部分边值条件无法收敛的缺陷,针对此缺陷,提出了以误差修正为理论基础的改进方法。该方法在弥补原鲁棒算法缺陷的基础上,继承了其能有效逼近协态变量初始值的优点。二维和三维算例仿真的结果表明与其它方法相比,本文所提出的改进鲁棒算法收敛速度更快,更有效。     

椭圆轨道卫星编队飞行的构型设计

研究了椭圆轨道卫星编队飞行的构型设计问题。首先给出常用的两类相对运动方程,即基于相对轨道状态的相对运动方程和基于轨道根数的相对运动方程,并推导出两类相对运动方程之间的对应关系。然后,针对卫星编队飞行的构型设计问题,结合两类相对运动方程的优点,提出一种简化的编队飞行构型设计方法,避免了复杂的计算。最后通过数学仿真进行了验证。     

线性相对运动的正切拦截和正切交会轨道研究

针对冲量方向与追踪器速度方向相同的正切轨道问题,用线性相对运动方程研究了正切于初始轨道和正切于目标轨道的共面轨道拦截和轨道交会问题。得到初始和终端时刻的相对速度向量的解析表达式,定义了两个关于目标真近点角的单变量函数,于是正切拦截和正切交会问题等价于这两个函数分别等于零,最后用割线法求解这两个函数的数值解。根据能量最优要求,考虑初始漂移段,分析了一个周期内的最佳初始正切冲量点。仿真结果校验了本文提出的方法。     

交会椭圆轨道目标Hill制导误差分析

在交会椭圆轨道目标阶段,Hill制导受各种误差因素的影响。介绍了椭圆轨道目标Hill 制导的误差因素,并着重研究了导航误差和控制误差对终端位置的影响,给出了误差的基本 表达式。与交会圆轨道目标情况进行比较,分析了初始真近点角对导航误差引起的终端位置 偏差的影响。在此基础上给出了一种修正算法,理论上证明了修正算法能显著提高终端位置 的精度。通过Monte\|Carlo方法的仿真结果表明,合理改变初始真近点角能减小导航误差引 起的终端位置偏差,并且修正算法能更有效提高制导精度。
     

远程自主交会改进制导算法

给出了一种适用于中、远程自主交会的改进制导算法。建立了交会两飞行器的相 对运动动力学模型;给出了可用于获取主、被动飞行器在惯性空间信息的轨道预报算法,并 且本预报算法是基于轨道要素描述的,同时考虑了J2项引力摄动,具有较高精度 。最后建立了用于优化制导指令速度的优化算法,和优化制导时间的燃料最优目标函数,优 化后的指令速度可使主动飞行器更精确地到达预定交会点。给出的数值仿真算例显示, 对于中、远程交会任务,单纯的C\|W制导算法所带来的终端误差较大,而改进的交会制导 算法可以十分明显地提高远程自主交会的制导精度。     

基于高斯问题的近最优再入预测制导方法研究

再入过程中利用解算高斯问题建立落在地面固定目标的开普勒轨道,由于干扰力的存在,再入飞行器将偏离这条轨道,为此需要对再入飞行器进行速度修正。速度的修正方案有两种:一种是使修正后的轨道返回到事先装订到计算机上的标准轨道上,即标准轨道法;另一种是根据落点重新建立一条可落在固定目标的轨道,即预测制导法。文中利用牛顿迭代法对高斯问题进行优化,得到了可重新落在地面目标的最小速度修正量,得到了一种快速的近最优预测制导算法。仿真结果表明:此算法简单,运算速度快,需用过载小,且得到了较小的脱靶量。     

基于转移时间约束的异面圆锥曲线变轨算法

在圆锥曲线转移轨道Lagrange方程的基础上,分析了双曲线和多圈飞行椭圆轨道的转移时间与半长轴的几何关系,以及椭圆转移问题的虚焦点位置对长程、短程轨道的约束.给出了一种与初始速度方向相关的转移角定义,以及一种基于Lagrange方程的圆锥曲线变轨计算方法,随后提出了一种以半长轴为迭代变量的变轨算法.通过异面椭圆和双曲线转移两个实例,验证了该算法与Vaughan算法具有相同结果,并具有明确的几何意义.     

地球-火星的燃料最省小推力转移轨道的设计与优化

小推力转移轨道的设计与优化一直是深空探测轨道设计方面的难点。针对这些问题，提出了一种基于等高线图的初始发射机会搜索方法，该方法通过绘制探测器一火星距离的等高线图寻找满足任务约束的小推力转移轨道发射机会；同时，本文还给出了一种小推力轨道的直接优化算法，该算法通过将连续的控制变量参数化，把轨道优化问题转化为参数优化问题，然后基于所提搜索方法，采用逐次二次规划方法进行求解。数值计算验证了该发射机会初值猜测方法和优化算法的有效性。     

基于时间最短的SGKW共面打击轨道优化设计

天基对地打击动能武器(SGKW)用于从太空对地面高价值战略目标进行快速、准确的打击。针对最短打击时间要求,研究了SGKW共面打击轨道的优化设计方法。首先建立了SGKW的无量纲化平面运动模型,然后利用庞特里亚金极大值原理将时间最短共面打击轨道的最优控制问题转化为两点边值问题。由于约束条件中存在优化参数,一种基于"遗传算法 序列二次规划"的组合优化算法被用于求解未知参数。仿真结果验证了上述方法的有效性。     

基于解析梯度的经典Lambert问题迭代求解方法

针对现有求解模型复杂、收敛速度慢等问题,在将经典Lambert转移问题转化为超越方程的基础上,提出一种基于解析梯度的Lambert问题迭代求解算法。选择转移轨道的真近点角为迭代变量,导出转移时间关于真近点角的解析梯度,构造一种基于解析梯度的牛顿迭代算法,降低了算法计算复杂度。理论分析表明该算法具有二阶以上的收敛速度。依据偏心率向量与转移轨道形状的关系,通过几何方法分析得到转移轨道在初始位置处的速度约束条件,推导转移轨道真近点角的最大值和最小值的解析表达式,并采用线性插值方法确定迭代初值,进一步提高了迭代算法的收敛速度。数学仿真结果表明在各种转移条件下算法均能快速收敛,采用所给出的初值选取方法初值确定精度高,进而能够加快收敛速度,而与较割线法相比较收敛速度快、计算量小,验证了所提出算法的有效性。     

基于双曲线B平面参数的快速微分修正月地返回轨道精确设计

月地返回轨道设计是探月三期月球采样返回任务中的重要内容之一,其约束条件较地月转移轨道复杂.此外,微分修正算法对于初值有很强的敏感性,且不易搜索得到初值.本文提出选取月心段出口点的双曲线B平面参数作为第一次迭代的目标值,选取地心段约束值作为第二次迭代的目标值,可有效的减少迭代次数和迭代时间,完成搜索初值过程.针对直接返回型轨 道和间接返回型轨道的设计问题,使用基于双曲线B平面参数的快速微分修正月地返回轨道精确设计方法,满足了对应的约束条件,易于求取变轨点的位置矢量和速度矢量,得到标称返回轨道.最后针对2种返回轨道类型的算例说明该方法有效.     

太阳系多目标探测轨道优化设计

将太阳系多目标探测的轨道优化设计问题转换成非线性规划问题,建立了轨道优化模型.针对非线性规划问题解的多峰性,设计了一种融合改进的网格搜索算法和差分进化算法的组合优化算法.利用改进的网格搜索算法以适当的步长寻找理想的发射窗口和各阶段转移时间,产生差分进化的初始群体,进而使用差分进化算法搜索初始群体附近的子空间,通过全局范围内的比较得到较理想的结果.最后以2018 ～2020年太阳系多目标探测为例,面向土星环绕探测任务完成了飞行中途探测太阳系多颗大行星的轨道优化设计.数值仿真结果表明上述算法对太阳系多目标探测轨道优化设计具有较好的通用性和应用参考价值.     

一种适用于大幅值Quasi周期轨道的数值构造方法

针对现有方法在构造大幅值quasi周期轨道时收敛性和通用性不足等问题,提出一种适用于大幅值quasi周期轨道的数值构造方法。首先针对2维不变环面的计算问题,设计了映射间隔约束的环面多步微分修正算法。在此基础上,采用自然参数延拓法和伪弧长延拓法两种不同的思路构造等映射间隔的quasi周期轨道族。接着以quasi-Vertical为对象分析了两种思路各自的特点。最后以quasi-Axial, quasi-DRO等为对象验证了方法对三角平动点及多对复特征值情况的适用性。仿真结果表明,所提出的方法能够简单有效地解决多种类型幅值比超过1.2的大幅值quasi周期轨道的数值计算问题。