基于多目标遗传算法的太阳高纬探测器轨道设计

针对太阳高纬度探测器轨道设计任务要求, 研究了基于多目标遗传算法的小推力借力飞行轨道设计方法. 基于圆锥曲线拼接假设, 将探测器轨道分为小推力日心转移轨道段和木星借力飞行轨道段两部分. 在日心转移轨道段, 选择燃料最省为优化目标, 采用标称轨道法设计小推力的推力控制率. 在借力飞行轨道段, 选择借力后日心轨道倾角为优化目标, 对借力飞行的关键参数进行分析. 采用多目标遗传算法对该多目标进行了优化. 结果表明, 多目标遗传算法可以有效地解决轨道设计中的多目标优化问题. 优化得到的小推力控制率不仅可以节省发射能量, 还可以保证借力飞行后探测器能够进入太阳高纬度探测轨道.      

火星探测转移轨道初始设计与分析

根据推进方式和是否采用金星借力,火星转移轨道分为大推力直接转移轨道、大推力金星借力转移轨道、小推力直接转移轨道和小推力金星借力转移轨道4类。传统的轨道设计方法只是针对某一类特定的转移方案进行轨道优化,而并未针对不同的转移方案进行详细对比分析。文章以2020/2022年发射窗口为例,针对4类基本火星转移轨道进行研究。首先,基于不同轨道初始设计方法,对4类轨道进行了初始设计,得到了每类转移方案的能量最优转移轨道。然后,基于设计结果和能耗对4类转移方案进行了横向对比分析,得到了不同策略下的转移轨道的特性。基于小推力的火星探测任务轨道对发射能量要求低;大推力直接转移和借力金星的发射窗口交替分布,可以互为备份;基于小推力推进的探测器采用金星借力转移策略相比直接转移能够减少10%的能耗,优势十分明显。     

改进的Tour-Map借力飞行图形设计方法

针对借力飞行轨道初始设计阶段的任务需求,提出一种改进的Tour-Map借力飞行图形设计方法,用于分析借力效果,确定借力方案和设计参数初值.在圆锥曲线拼接假设基础上,建立了借力飞行超越速度矢量和借力天体位置、速度的几何模型,推导了借力后日心轨道要素的解析表达式,并将分析结果绘制成经纬度坐标的Tour-Map轨道要素等高线图,图中综合了借力飞行后大量可行的日心转移轨道信息,为分析借力飞行的作用提供了形象的参考.将其应用在木星借力太阳高纬度探测轨道设计中,证明了方法的有效性和实用性.     

连续常值推力机动分析与应用

连续常值推力机动是空间飞行常用的轨道机动方式。其中,小推力适合于地球轨道航天器交会机动,而切向或周向推力以及较大的正径向推力可用于脱离地球引力场的逃逸飞行,执行星际交会使命。应用常推力作用下的质心运动方程,对机动推力的量值没有限制;在航天器交会应用中,对相对距离也无要求。这种方法可直接获得向径、轨道速度等参数随时间或极角(绕地心的转动角)的变化,便于分析轨道转移与逃逸运动,有助于飞行使命与运动轨迹的设计。特别是,若机动转移的初轨为圆轨道,在推力较小、飞行时间不长的情况下,应用量纲1形式的运动方程,可获得具有工程应用价值的近似解。     

平动点周期轨道间小推力转移的Gauss伪谱法

针对三体问题共线平动点附近周期轨道间的小推力转移问题，构造了一种新的形状函数，在此基础上提出了一种基于Gauss伪谱法的优化设计方法。首先，建立小推力轨道转移动力学模型，参考初始轨道和目标轨道的类型，构造一种新的形状函数以近似小推力转移轨道。为满足不同的约束要求，提出了振幅和相位按多项式变化的假设，推导了小推力转移轨道的近似解析解；然后利用Gauss伪谱法将小推力轨道转移的最优控制问题转化为非线性规划问题，并对推导的近似解析解进行解算和处理，为Gauss伪谱法求解非线性规划问题提供较为有效的控制变量的初始猜测值；最后以地月系统L1点附近Halo轨道间的小推力转移问题为例进行了仿真分析。仿真结果表明，小推力转移轨道近似解析解具备有效性和普适性，使得Gauss伪谱法的迭代效率提高55%以上，同时也表明Gauss伪谱法可有效解决平动点周期轨道间的小推力转移轨道优化设计问题。     

太阳中纬度探测共振借力轨道设计

针对太阳中纬度探测任务,设计了共振借力轨道方案.根据离开超越速度的解析表达式得到借力后日心轨道的可行集并将结论推广到任意借力行星.进而提出RRpInc图形化设计方法,通过RRpInc图分析得到共振借力的超越速度大小直接决定了最终轨道倾角.以共振借力行星作为目标星体设计借力转移轨道,以逃逸速度和到达超速作为性能指标,采用多目标优化算法优化.给出了两个设计方案:方案1选择金星作为共振借力行星,探测器通过“金星-地球-地球”借力飞行增加金星共振借力前的超越速度;方案2选择地球为共振借力行星,探测器在木星借力后返回地球共振借力.两个方案最终轨道倾角分别约为30°和35 °.     

航天器交会中的Lambert问题

应用Lagrange转移时间方程研究空间交会中的Lambert问题,包括经典Lambert问题(飞行弧段不足一圈的椭圆型轨道转移)与多圈Lambert问题(飞行圈数超过一圈的轨道转移),阐述转移轨道的几何特性与转移轨道类型,分析转移时间与转移轨道参数及变轨速度增量之间的关系。对航天器交会中常用的圆轨道之间的双冲量转移,给定转移角与转移时间,阐述最小变轨速度增量所对应的转移圈数与轨道参数的求解方法,提出满足最小变轨速度增量要求的轨道转移的图解法。对给定的初始分离角与交会时间,按最小变轨速度增量要求,确定航天器交会的初始漂移时间、双冲量轨道转移时间与终端停泊时间。     

太阳中纬度探测共振借力轨道设计

针对太阳中纬度探测任务,设计了共振借力轨道方案.根据离开超越速度的解析表达式得到借力后日心轨道的可行集并将结论推广到任意借力行星.进而提出RRpInc图形化设计方法,通过RRpInc图分析得到共振借力的超越速度大小直接决定了最终轨道倾角.以共振借力行星作为目标星体设计借力转移轨道,以逃逸速度和到达超速作为性能指标,采用多目标优化算法优化.给出了两个设计方案:方案1选择金星作为共振借力行星,探测器通过"金星-地球-地球"借力飞行增加金星共振借力前的超越速度;方案2选择地球为共振借力行星,探测器在木星借力后返回地球共振借力.两个方案最终轨道倾角分别约为30°和35°.     

基于逆多项式轨迹成形法的小推力轨道设计

轨迹成形法是一种基于反向设计思想的轨道设计方法,它假设待研究的轨道呈现某一形状,利用数学曲线进行逼近从而得到设计结果.逆多项式轨迹成形法为小推力地球转移轨道设计和数值求解最优轨迹过程中初值的选取提供了新的研究思路.首先结合轨道动力学方程和逆多项式曲线模型给出了轨迹成形法的设计过程,并在考虑时间约束的情况下对小推力转移轨道进行设计.仿真结果表明逆多项式轨迹成形法适宜于小推力转移轨道设计,并且其设计结果是一组近优解,可以作为求取精确最优轨迹的初值猜测.     

航天器交会远程快速自主制导方法

针对近地近圆轨道航天器交会任务,设计了基于经典轨道要素的远程快速自主制导算法.对于任意初始纬度幅角偏差的远程导引,通过建立纬度幅角偏差与半长轴偏差的关系,将远程导引段分为初始轨道飞行、调相轨道飞行和调整轨道飞行3个阶段.初始轨道飞行进行轨道共面修正和调相机动;在调相轨道飞行期间,进行自然调相以及调相轨道到调整轨道的机动;调整轨道飞行阶段进行追踪航天器的远地点高度和近地点高度的修正,以及再次共面修正.所有变轨机动都以制导脉冲的形式给出,并都在轨道特殊点执行.精确轨道仿真验证了远程快速自主接近制导算法的可行性.     

A lunar cargo mission design strategy using variable low thrust

A design technique for a near optimal, Earth–Moon transfer trajectory using continuous variable low thrust is proposed. For the Earth–Moon transfer trajectory, analytical and numerical methods are combined to formulate the trajectory optimization problem. The basic concept of the proposed technique is to utilize analytically optimized solutions when the spacecraft is flying near a central body where the transfer trajectories are nearly circular shaped, and to use a numerical optimization method to match the spacecraft’s states to establish a final near optimal trajectory. The plasma thruster is considered as the main propulsion system which is currently being developed for crewed/cargo missions for interplanetary flight. The gravitational effects of the 3rd body and geopotential effects are included during the trajectory optimization process. With the proposed design technique, Earth–Moon transfer trajectory is successfully designed with the plasma thruster having a thrust direction sequence of “fixed-varied-fixed” and a thrust acceleration sequence of “constant-variable-constant”. As this strategy has the characteristics of a lesser computational load, little sensitivity to initial conditions, and obtaining solutions quickly, this method can be utilized in the initial scoping studies for mission design and analysis. Additionally, derived near optimal trajectory solution can be used as for initial trajectory solution for further detailed optimization problem. The demonstrated results will give various insights into future lunar cargo trajectories using plasma thrusters with continuous variable low thrust, establishing approximate costs as well as trajectory characteristics.     

基于有限Fourier级数的航天器转移轨迹设计

针对航天器小推力转移轨迹的初始设计问题，利用基于三阶Fourier级数的设计方法实现了航天器小推力的多圈转移。同时，基于有限Fourier级数的形状法，对具有多个约束条件的小推力多圈转移轨迹进行了优化设计。选取了共面同轴同偏心率的初始和末端轨道位置，对所提出的方法进行了仿真验证。结果表明：与改进逆五阶多项式形状法相比，所提出的方法虽然增加了转移时间，但当转移圈数为5圈、有限Fourier级数的项数为10时，可减少将近75%的转移速度增量，同时大大减小了所需的最大推力加速度的值。     

基于分段常值的全电推进GEO卫星制导策略

电推进技术因其比冲高的技术特点在GEO轨道转移中应用可大大减少燃料质量，提高有效载荷质量比，延长任务寿命等。针对全电推进GEO卫星入轨的轨迹优化和制导问题，首先利用间接法获得小推力燃料最优GEO轨道转移的数值解，提出一种多项式曲线拟合最优轨迹的方法，多项式曲线形式简单，可作为参考轨道在星上存储和使用。在多项式参考轨道的基础上，建立了一种分段常值推力跟踪参考轨道的闭环制导策略，在常值推力条件下，轨道要素控制量与控制力有解析关系，简化了制导律设计；将多圈轨道转移问题分解为多个单圈轨道优化问题。结果显示，本文提出的分段常值跟踪制导策略跟踪精度高，和最优轨道相比多消耗7%的燃料。本制导策略控制结构简单，易于工程实施。     

Earth–Moon low energy trajectory optimization in the real system

The problem of the Earth–Moon low energy trajectory optimization in the real system (the model defined by the JPL ephemeris DE405) is considered in this paper. First, this problem is investigated in the model of circular restricted three-body problem, since the fuel consumption is closely related to the Jacobi integral of the transfer trajectory, a method based on Jacobi integral is proposed and eight optimal trajectories are obtained. These optimal trajectories provide initial information (the flight time and the braking velocity impulse) to search the optimal low energy trajectories in the real system through optimization techniques. Considering the merit and drawback of particle swarm optimization and differential evolution algorithm in solving the space trajectory problem, an improved cooperative evolutionary algorithm is put forward. Result shows that the low energy trajectories in the real system are more fuel-efficient than the corresponding ones under the circular restricted three-body problem.     

月地转移轨道快速设计与特性分析

对采用直接大气再入方式的月地转移轨道,考虑大气再入界面参数和地面落点位置约束,提出了一种基于双二体模型的快速设计方法。该方法分为内外两层迭代循环,内层循环使月心段轨道和地心段轨道在月球影响球边界处连续,并采用Lambert问题与Newton-Raphson法相集合的方法求解满足再入角约束的地心段轨道参数;外层循环通过调整地心段轨道倾角和轨道置入时间使月地转移轨道满足地面落点位置约束。分析表明,存在四种类型的月地转移轨道满足大气再入界面约束,分别为降 降型、降 升型、升 降型和升 升型。在此基础上,对四种类型月地转移轨道的近地点地心距、置入分布点、再入点分布等特性进行了分析。仿真结果验证了所提出方法的有效性。     

常值推力下面内轨道优化的一种改进间接法

针对常值推力下航天器面内轨道转移燃耗最省的轨道优化问题,利用极大值原理导出了最优轨迹下推力方向角应满足的控制方程,结合动力学方程建立了一种求解航天器面内最优转移轨道的改进间接法,及其在推力方向角调节能力受限条件下的应用方法。由于避免了协态变量微分方程组的求解,改进间接法相对于传统间接法降低了初值猜测的难度和计算量;与采用Gauss伪谱法求解相比,所建立的改进间接法求解结果精度更高,数值光滑性更好。仿真算例表明:推力方向角调节能力受限会改善推力方向角变化规律,降低推力方向角变化范围;就燃耗而言,推力越大燃耗越多,优化轨道节省燃耗更加显著。     

Parameterized design of abort trajectories with a lunar flyby for a crewed mission

This article proposes an analytical preliminary design method for abort trajectory with a lunar flyby and the trajectory ergodic representation based on parameterization, as well as their application in studying the abort trajectories’ characteristics. First, by introducing two parameters, the perilune altitude and the perilune transfer time, the preliminary solution is developed parametrically using pseudostate theory to connect two special Lambert processes. The fast convergence of the improved differential correction under the high-fidelity gravity field verifies the accuracy of the proposed preliminary design method. Next, the two parameters are regarded as a set of variables to define an abort trajectory. Based on this, an ergodic representation of the abort trajectory with a certain abort time is yielded using the proposed design method, which offers a global view of the feasible abort trajectories. In addition, the influences of some factors on the performance of these abort trajectories are investigated based on the proposed design method and ergodic representation. The simulation results show that the abort time and the transfer time of the nominal trajectory significantly affect the ergodic representation and characteristics of the abort trajectory.