空天飞行器交会的轨道机动策略研究

在给出了空天飞行器(Aerospace Vehicle,ASV)的概念及任务构想之后,依据轨道动力学,结合ASV的特点,研究了ASV与目标在同一圆轨道上以及在共面不共轨圆轨道上的交会策略。其中,针对同一圆轨道上的交会分析了椭圆轨道机动和快速机动两种交会方案,对共面不共轨圆轨道上的交会讨论了霍曼轨道机动、双椭圆轨道机动以及快速机动3种交会方案。在每一种交会策略中均详细分析了交会所需的时间、速度增量以及轨线长度等。最后通过仿真分析了各种交会策略的优劣。     

水平推力作用下共面椭圆轨道的最优转移

本文研究在两次水平推力作用下共面椭圆轨道的转移问题,给出了冲量大小和作用点位置的计算公式,文中还讨论了圆到圆、椭圆到圆这两种特殊情况的轨道转移,并给出了数值例子。     

空间交会最优控制理论和方法的研究进展

本文概述了国内外最优交会控制理论和方法,着重论述了近几年国内的进展。介绍了有限推力作用下邻近的近圆轨道最优交会,一般共面椭圆轨道全局最优交会,多冲量推力线性化和非线性交会轨道最优制导和水平冲量推力最优交会控制理论和方法的研究成果。     

最优双冲量交会问题的数学建模与数值求解

基于普适变量法研究了两个共面轨道的最优双冲量交会问题。具体地,基于求解Lambert问题的普适变量法,在将给定时间段划分初始飘移阶段、轨 道转移阶段与终端停泊阶段的前提下,对两圆轨道及两拱线相同的椭圆轨道的最优双冲量交 会问题分别进行了优化数学建模,并利用数学软件Lingo进行了数值求解。数值结果表明,划分给定时间段可以得到更优解。
     

遗传算法在航天器最优交会中的应用研究

针对航天器的最优交会问题 ,推导了航天器双冲量交会时的特征速度 ,以此为基础构造了以能量和时间为指标时的最优交会指标 ,并设计了与之相应的遗传算法。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 ,遗传算法的设计是成功的。     

考虑地球扁率J2摄动影响的异面椭圆轨道多冲量最优交会

重点研究了在地球扁率影响下,固定时间内两异面椭圆轨道间的燃料最省多冲量最优交     

在轨服务飞行器对共面圆轨道目标接近过程分析

为了研究在轨服务飞行器(On-orbit Service Vehicle,OSV)针对共面圆轨道目标的大范围机动过程,利用经典二体动力学模型和霍曼转移轨道模型,分析了OSV转移过程中的相位调整和能量需求,比较了自然调相和速度调相的特点,提出了待机轨道、停泊轨道、初始相位差、变轨时机和交会时间等参数选择的一般规律,为选择OSV接近目标的机动策略提供了理论参考。     

水平冲量作用下共面椭圆轨道上航天器的交会

本文研究了在三次水平冲量作用下,一般共面椭圆轨道上两个航天器的固定时间交会问题。推导了完成交会的必要条件,给出了三次水平冲量的大小及其作用时刻的计算方法。     

考虑地球扁率效应的两航天器双共切最优交会原理

轨道交会研究受控航天器与目标航天器于预定的位置和时间相会合。本文讨论按两次冲量法沿双共切椭圆轨道,使沿圆轨道运行的受控航天器实现向另一圆轨道转移并和沿该圆轨道运行的目标航天器相交会的最优方案,讨论中计及到地球扁率造成的轨道摄动。文中的所谓圆轨道指的是变轨时刻的密切轨道为圆形以及是对近圆轨道的近似替代。     

多冲量最优交会

本文研究了两个空间飞行器在固定时间内燃料最省的多冲量交会问题。飞行器的相对运动由线性化的C-W方程描述,利用拉格朗日乘子法求得燃料最省时各冲量的时间、大小及方向。文中还讨论了初始条件和交会时间对燃料消耗的影响。     

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。     

Fast solar sail rendezvous mission to near Earth asteroids

The concept of fast solar sail rendezvous missions to near Earth asteroids is presented by considering the hyperbolic launch excess velocity as a design parameter. After introducing an initial constraint on the hyperbolic excess velocity, a time optimal control framework is derived and solved by using an indirect method. The coplanar circular orbit rendezvous scenario is investigated first to evaluate the variational trend of the transfer time with respect to different hyperbolic excess velocities and solar sail characteristic accelerations. The influence of the asteroid orbital inclination and eccentricity on the transfer time is studied in a parametric way. The optimal direction and magnitude of the hyperbolic excess velocity are identified via numerical simulations. The found results for coplanar circular scenarios are compared in terms of fuel consumption to the corresponding bi-impulsive transfer of the same flight time, but without using a solar sail. The fuel consumption tradeoff between the required hyperbolic excess velocity and the achievable flight time is discussed. The required total launch mass for a particular solar sail is derived in analytical form. A practical mission application is proposed to rendezvous with the asteroid 99942 Apophis by using a solar sail in combination with the provided hyperbolic excess velocity.     

一种基于EPSO的航天器交会轨迹优化方法

研究了航天器在固定时间内燃料最省的多脉冲交会问题,提出了一种基于种群熵粒子群优化 (Population Entropy based Particle Swarm Optimization,EPSO)算法的交会轨迹优化设计方法。采用线性化C\|W方程描述航天器的相对运动,以能耗最优为控制目标,得到了基于连续推力的最优转移轨迹,用于确定脉冲点的位置。考虑工程实用性,采用多脉冲控制方法,利用脉冲点的位置参数建立了以脉冲点时间间隔为决策变量的优化目标函数,并用EPSO算法进行求解。在EPSO中,种群熵描述粒子在搜索空间中位置分布的混乱程度,并通过上一代的种群熵确定下一代的搜索空间,从而减少搜索空间的浪费,提高了算法的搜索速度和收敛精度。仿真结果表明,算法本身具有良好的优化性能,适用于航天器轨迹优化。     

多约束交会对接发射窗口的分析和规划

针对交会对接任务对发射窗口的轨道日照角、光学导航测量设备阳光抑制角和轨道共面等多项约束,建立了交会对接发射窗口计算数学模型,给出了交会对接发射窗口计算方法与流程,分析了各种约束对交会对接发射窗口的影响。计算并构建了交会对接任务目标飞行器和追踪飞行器的年度日照发射窗口集合。按照2种任务规划思路分别给出了确定目标飞行器和追踪飞行器年度共面窗口集合的方法,为多约束交会对接年度发射窗口的日窗口和时刻窗口的分析和规划提供了清晰的结果。仿真结果验证了交会对接年度发射窗口集合的正确性和有效性,模型、方法和结果可作为交会对接任务发射窗口分析和规划的依据。
     

有限推力航天器双主动交会的最优控制

研究了两异面椭圆轨道的有限推力航天器在协同轨道机动以完成交会任务(双主动交会)时的最优控制问题.构造了有限推力航天器双主动交会的数学模型,讨论了其实现最优控制的必要条件.针对推进剂总消耗最少和有限推进剂约束下的最短时间交会2种不同情况,采用直接配置法和序列二次规划法求解了反平方力场中的最优控制数值解.考察了不同初始参数对双主动交会最优控制历程的影响,并将双主动交会形式与主被动交会形式进行了对比.结果表明,当两航天器质量接近时,双主动交会在减少燃料消耗或缩短交会所需时间方面具有明显优势.     

Particle swarm optimization applied to impulsive orbital transfers

The particle swarm optimization (PSO) technique is a population-based stochastic method developed in recent years and successfully applied in several fields of research. It mimics the unpredictable motion of bird flocks while searching for food, with the intent of determining the optimal values of the unknown parameters of the problem under consideration. At the end of the process, the best particle (i.e. the best solution with reference to the objective function) is expected to contain the globally optimal values of the unknown parameters. The central idea underlying the method is contained in the formula for velocity updating. This formula includes three terms with stochastic weights. This research applies the particle swarm optimization algorithm to the problem of optimizing impulsive orbital transfers. More specifically, the following problems are considered and solved with the PSO algorithm: (i) determination of the globally optimal two- and three-impulse transfer trajectories between two coplanar circular orbits; (ii) determination of the optimal transfer between two coplanar, elliptic orbits with arbitrary orientation; (iii) determination of the optimal two-impulse transfer between two circular, non-coplanar orbits; (iv) determination of the globally optimal two-impulse transfer between two non-coplanar elliptic orbits. Despite its intuitiveness and simplicity, the particle swarm optimization method proves to be capable of effectively solving the orbital transfer problems of interest with great numerical accuracy.     

Qualitative Properties of Orbits for Minimum-Fuel Impulsive Transfers between Circular Coplanar Orbits with a Given Launch Time

The coplanar problem of minimizing propellant consumption in impulsive transfer between circular boundary orbits is investigated. The launch time and the initial configuration of objects on the boundary orbits are specified arbitrarily. The qualitative properties of optimal two-impulse trajectories and their optimality in the class of multi-impulse transfers are studied.     

气动辅助空间交会最优轨道设计与闭环导引律

给出了同平面HEO-LEO实现空间交会的必要条件;研究了基于气动辅助轨道转移技术实现同平面HEO-LEO的空间交会方案,通过设计一条标准的同平面HEO-LEO气动辅助轨道转移的最优轨迹,得到了轨道转移飞行器(OTV)与目标实现交会必须满足的标准相角;最后对大气飞行段设计了非线性最优闭环导引律,通过引入Lyapunov最陡下降函数,对函数中相应参数进行适当调整,使应用闭环导引律得到的大气内飞行轨迹与最优轨迹充分接近,仿真结果表明该气动辅助空间交会方法正确、可行。