静止卫星小推力多圈转移轨道间接优化

本文研究了电推进平台地球静止(GEO)卫星转移轨道优化问题。在动力学模型中考虑了地球J2项摄动,基于庞特里压金极大值原理(PMP)推导了时间最优变轨控制律及其一阶必要性边界条件,采用推力幅值延拓技术和牛顿下山法对最优控制两点边值问题求解。仿真算例表明本文方法的有效性,相对已有结果性能指标可以提升5%左右。分析了静止卫星小推力多圈时间最优转移轨道要素变化特性,可供工程实际参考。     

远程导引变轨方案修正算法

为在实际摄动条件下由远程导引变轨方案初始设计结果实现追踪航天器与目标航天器的交会,提出了一种修正变轨方案。将初始多脉冲式变轨方案转换为有限推力式并作修正,取远程导引结束时刻追踪与目标航天器间的相对轨道要素为目标函数,采用J2,J3,J4解析轨道预报器对目标函数计算需要的轨道进行预报,以历次变轨开始时刻、结束时刻和推力方向为优化变量,用边界约束有限存储BFGS(L-BFGS-B)优化算法获得的最优解为修正后的变轨方案,可消除摄动模型误差。算例结果表明,经转换和修正所得有限推力式变轨方案能在实际摄动条件下实现追踪航天器与目标航天器的交会。     

小推力轨道保持方法

对小推力轨道保持方法进行了研究。用快、慢变量控制器分别控制轨道要素的快慢变量,基于推导的经典轨道要素与2个推力方向角和最佳变轨位置的关系,给出了最优推力方向角的解析表达式。用Lyapunov反馈控制实现卫星轨道机动的轨道转移,并引入相位调整,实现了卫星的站位保持。仿真结果表明:基于Lyapunov的反馈控制可实现小推力轨道的转移和保持。     

全电推进GEO卫星的变轨策略研究

针对采用全电推进平台的GEO卫星的轨道转移问题,在给定电推进轨道控制模型的基础上,开展卫星由GTO向GEO的变轨策略研究。首先,在轨道远地点高度不变的基础上,给出了给定控制解析解的变轨策略,并给出了该种策略轨道控制律的解析解。其次,文章基于李雅普诺夫优化原理给出了优化的变轨策略,并结合仿真算例计算了该种策略控制律的数值解。在电推进优化转移策略研究的基础上,还分析了全电推进平台卫星在不同推力下的变轨时间需求。文章的变轨策略可为电推进系统在航天领域的应用提供参考。     

基于微波等离子推力器的地球同步轨道卫星任务优化计算

将微波等离子推力器（MPT）应用于“东方红三号”（DFH-3）卫星的推进子系统，完成其轨道转移和南-北位置保持任务。建立了卫星任务和系统优化计算模型，采用遗传算法对卫星轨道转移和位置保持任务进行优化模拟计算，讨论了推力弧段和推力等对卫星变轨时间、MPT累积工作时间、卫星干质量和有效载荷的影响，结果表明，采用MPT可大大减少推进剂工质消耗，增加有效载荷，变轨时间明显大于化学推进，但小于相同电功率的其他电推进。     

基于厄密特三次多项式的配置和非线性规划方法在小推力最优变轨中的应用

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。     

关于地球静止卫星远地点变轨策略的札记

在采用小推力远地点发动机的情况下，地球静止卫星在远地点变轨的策略宜按整星功能实现和优化的原则确定。当推重比大于０．０２时，多次变轨比１次变轨节省的推进并不明显。     

考虑推力及姿态误差的空间拦截最优初制导方法

能量省、精度高的初制导优化算法是空间拦截制导的基础。考虑变轨发动机有限推力的条件时,空间拦截初制导的任务是实时计算推力作用时拦截器姿态角。采用自适应制导原理和相对运动动力学方法,推导了有限推力条件下空间拦截最优初制导方法,在此基础上,利用降阶迭代方法解算了推力误差和姿态误差条件下的初制导问题,提高了初制导精度。仿真结果表明,在10%的推力误差和2度的姿态误差条件下,该优化制导方法具有较高精度。研究结论对发展空间拦截制导技术有参考价值。     

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。     

一种小推力航天器变轨优化方法

针对连续小推力航天器在轨道转移及制导控制过程中,传统方法需优化大量参数,且无法保证得到近优解的问题,提出一种新的轨道转移和规划算法.该算法将电推进式小推力卫星模型的变轨过程转化为最优控制中两点边值问题,引入混合遗传算法,实现了小推力航天器由低轨向高轨的飞行轨道规划及优化,并在开源的科学工程计算软件SCILAB6.0.1...     

Optimization of transfer trajectories to the Apophis asteroid for spacecraft with high and low thrust

The problem of optimization of a spacecraft transfer to the Apophis asteroid is investigated. The scheme of transfer under analysis includes a geocentric stage of boosting the spacecraft with high thrust, a heliocentric stage of control by a low thrust engine, and a stage of deceleration with injection to an orbit of the asteroid’s satellite. In doing this, the problem of optimal control is solved for cases of ideal and piecewise-constant low thrust, and the optimal magnitude and direction of spacecraft’s hyperbolic velocity “at infinity” during departure from the Earth are determined. The spacecraft trajectories are found based on a specially developed comprehensive method of optimization. This method combines the method of dynamic programming at the first stage of analysis and the Pontryagin maximum principle at the concluding stage, together with the parameter continuation method. The estimates are obtained for the spacecraft’s final mass and for the payload mass that can be delivered to the asteroid using the Soyuz-Fregat carrier launcher.     

Near-optimal geostationary transfer maneuvers with cooperative en-route inspection using hybrid optimal control

This research investigates the performance of bi-level hybrid optimal control algorithms in the solution of minimum delta-velocity geostationary transfer maneuvers with cooperative en-route inspection. The maneuvers, introduced here for the first time, are designed to populate a geostationary constellation of space situational awareness satellites while providing additional characterization of objects in lower-altitude orbit regimes. The maneuvering satellite, called the chaser, performs a transfer from low Earth orbit to geostationary orbit, during which it performs an inspection of one of several orbiting targets in conjunction with a ground site for the duration of the target?s line-of-site contact with that site. A three-target scenario is used to test the performance of multiple bi-level hybrid optimal control algorithms. A bi-level hybrid algorithm is then utilized to solve fifteen-, and thirty-target scenarios and shown to have increasing benefit to complete enumeration as the number of targets is increased. Results indicate that the en-route inspection can be accomplished for a small increase in the delta-velocity required for a simple transfer to geostationary orbit given the same initial conditions.     

低轨Walker星座构型演化及维持策略分析

针对低轨(LEO)Walker星座构型维持问题，分析在地球非球形引力和大气阻力摄动下卫星的运动规律及星座构型演化特性。结果表明，低轨Walker星座构型发散主要体现在由初始轨道参数不一致引起的轨道高度衰减和相位漂移，国内首例低轨Walker星座实测轨道数据验证了理论分析的正确性。结合星座任务特性与构型发散特点，提出了基于基准卫星的相对相位维持策略，选取一颗卫星作为基准卫星，使星座中其它所有卫星相对于基准卫星的相位漂移量累加值最小，通过对目标卫星实施一次相对基准卫星的轨道高度抬升/降低，维持星间的相对位置关系。实际工程应用表明了此策略的有效性，不仅降低星座构型维持的复杂度及频次，节约燃料，且轨控时间短，为我国今后卫星星座的构型维持提供参考。     

近地星座异面遍历交会轨道全局优化

根据J 2摄动对轨道面的长期影响规律，提出了一种在近地低轨道星座卫星之间进行异面轨道交会的解析近似方法，并用于建立多星多约束遍历交会的混合整数规划模型，能够快速获得多星交会次序、交会时刻的最优解。仿真算例表明提出的方法适用于在轨服务、构型重建等类型任务的快速优化，计算速度和燃料消耗优于以往类似算法。     

带有控制增益自校正的甚低轨道卫星自主轨道维持方法

为实现甚低轨道的长期稳定运行,分析了甚低轨道的摄动特性,设计了一种带有轨控增益校正的自主轨道维持方法。该方法可通过前一次轨控的结果对轨控增益进行校正,提高轨控算法对卫星质量、推力大小等不确定因素的鲁棒性,逐渐提高轨道控制的精度。对轨道控制的频率、每次轨控的时间长度及对偏心率的影响进行了分析,仿真结果表明:自主轨道维持方法能实现甚低轨道高度维持控制,在参数不确定的情况下,与传统算法相比可大幅提高轨道控制的精度,确保平均偏心率矢量收敛,满足甚低轨道卫星的长寿命要求。所设计的算法结构简单,运算量小,可由目前的星载计算机实现。     

地-月低能耗转移轨道中途修正问题研究

采用地-月低能耗转移轨道的探测器从地球停泊轨道转移到极月轨道一般需要3~4个月时间,这类转移轨道对入轨精度有较高的要求。本文对地月转移轨道中途修正问题进行了研究。文中结合地-月低能耗转移轨道的特点,给出一种分段式多目标多次中途修正方案。利用显式制导结合牛顿迭代,分别以地球和月球作为中心天体求解兰伯特问题,在假设探测器各种轨道误差的基础上进行了蒙特卡罗仿真。采用该方法一般需要3~5次中途修正能够满足月球探测器环月轨道入轨精度要求,整个转移过程燃料消耗小于传统地月转移轨道。文中给出的仿真结果验证了该方案的可行性。     

轨道机动的时间-能量综合最优控制

围绕航天器快速精确轨道机动问题,探讨在持续小推力作用下,航天器轨道机动中时 间和能量综合最优控制的技术和方法。基于Pontryagin最小(大)值原理,针对目标轨道为平 面和空间椭圆的情况,推导了时间-能量综合最优控制的Hamilton正则方程组、终端条件 、横截条件和最优控制的表达式,应用数值方法求解正则微分方程组的两点边值问题,得到 了最优控制的数值解,包括最小时间、最小能量、最优轨道、最优控制时变曲线和最优反馈 控制曲线等,实现轨道机动最优控制的精确数值模拟。从数值结果的对比分析中得出了一些 有意义的结论,可供工程实际参考。
     

基于改进粒子群算法的混合卫星星座优化设计

对用低轨子星座和椭圆轨道子星座组成的混合卫星星座实现不均匀覆盖进行了研究。给出了低圆轨道和椭圆轨道的设计方法和计算模型。基于对传统粒子群算法的改进,提出了一种自适应变异与非线性单纯形法综合的高效粒子群优化算法对星座进行优化设计,并给出了设计的某混合卫星星座的整体构型。分析结果表明:该法明显优于遗传算法和传统粒子群算法。     

卫星轨道圆化的有限推力点火控制策略

本文研究卫星轨道圆化的点火控制策略，发动机推力为有限常值，方向可调。考虑了燃料消耗引起的质量损失。假设圆轨道上有一飞行器在运动，称为虚拟轨道器。只要卫星与虚拟轨道器软交会，就完成了轨道圆化。文中给出了使卫星与虚拟轨道器软交会的推力方向控制策略和点火位置与关车位置的求取方法。仿真结果表明，本文方法与水平推力策略和切向推力策略相比，具有更高的控制精度，而且燃料消耗接近最优。