一种基于进化计算的空间飞行器编队重构轨道规划方法

基于进化算法提出了一种两层结构的空间飞行器编队重构的轨道规划算法,高层算法通过优化构型映射来优化编队的总燃耗,实现全局规划并确保飞行器之间保持一定的安全距离以避免相互碰撞;低层规划算法采用Chebyshev多项式逼近控制变量空间,为每颗飞行器规划满足约束条件的最优轨道。该方法充分利用了编队的分布式结构,由各飞行器并行实现各自的轨道规划,能有效解决大型编队的轨道规划问题。仿真结果表明了该方法的有效性。     

考虑燃料均衡的卫星编队队形重构技术

在卫星编队队形重构过程中,如何在实现编队整体燃料消耗较少的同时使得各子卫星燃料消耗均衡,能够有效地提高卫星编队整体的寿命。提出了一种基于虚拟中心位置可变的卫星编队队形重构新方法。该方法以虚拟中心位置为寻优变量,以首末脉冲时刻可优化的双脉冲规划作为单星轨道机动策略,将编队队形重构问题转化为混合0-1数学规划问题。仿真结果表明,该优化算法在实现整体燃料次优的同时,兼顾了各星当前的燃料剩余水平,实现了各子卫星的燃料均衡。     

卫星编队连续推力控制的燃料平衡方法

在卫星编队飞行中,编队重构等机动过程会导致整个编队卫星之间燃料消耗不均匀,甚至出现某一成员卫星燃料消耗完,而导致整个编队构型提前结束乃至任务失败。针对该问题,文章提出了在卫星编队轨道重构过程中可采用的一种燃料平衡方法,即基于连续推力控制,以燃料最优为控制目标,通过建立燃料消耗函数,推导了不同相位角及重构半径时的最优控制加速度,通过减小各从星之间的燃料消耗函数的差异,使得不同成员卫星燃料消耗差别最小。编队卫星燃料平衡程度取决于初始相位角,文章给出了最佳初始相位角的表达式。最后,对以一主二从的三星编队在从星轨道重构中的从星燃料平衡问题进行了仿真,分别验证了卫星编队连续推力控制方法和编队卫星燃料平衡方法的正确性和有效性。     

空间飞行器追踪区设计

重点介绍了空间飞行器通过一次变轨机动与目标交会的可行机动方案，在对飞行时间普适公式分析的基础上，建立了一般性的轨道转移预测模型， 给出了一种寻求空间飞行器可行变轨点集的方法，并提出了追踪区的概念。通过仿真计算，分别对各种时间和燃料资源限制条件下的追踪区大小变化进行了分析，结果表明，利用该方法求出的变轨点能够满足空间交会对燃料和时间等各方面的要求，且方法简捷，易于实现。     

大椭圆轨道气动变轨与轨道部署

提出了一种服务飞行器的大椭圆轨道气动变轨方案.根据速度轨道最优参数确定气动变轨动力学方程及参数,计算了变轨第一、二阶段的能力.研究了轨道部署方案,讨论了大椭圆轨道近地点幅角与轨道倾角,以及待机轨道覆盖性能.研究表明:3个空间飞行器就可100%覆盖低轨道主要目标群.     

面向GEO目标的快速在线在轨服务任务规划

针对地球同步轨道多对多在轨服务任务规划问题,提出了一种基于拍卖算法和先验知识的改进启发式拍卖算法(IHAA)。首先,建立了基于Lambert变轨的任务规划问题表征,设计了给定变轨时长约束下的快速燃料最优估计策略。其次,针对考虑J 2摄动影响的航天器在轨服务规划问题,提出了一种基于拍卖算法的快速求解流程。其中,为确定每一轮拍卖算法任务列表,提出了基于变轨先验知识的目标优先级排序启发式策略,实现了快速的服务时序确定方法;此外,为减少因部分航天器服务能力低导致的分配失败情况,设计了一种基于失败任务再分配的重拍机制。最后,将所提算法与遗传算法、模拟退火算法进行了对比,结果表明IHAA可以快速给出相对适应度较高的规划结果,可用于突发事件星上在线自主规划,亦可提供优化算法初值以提升规划效率。     

在轨目标逼近远程导引律设计

利用最优多脉冲方法,对目标航天器逼近过程的远程导引段轨道进行设计.基于Lawden主矢量理论,解决固定时间、燃料最省的逼近轨道问题.通过仿真分析了固定初始条件时燃料消耗量随着转移时间的变化关系.对于燃料和时间均有约束的情况,给出了求解燃料最省和时间最小的多目标优化问题的方法.这一研究对于评估具体任务的燃料消耗和转移时间有重要意义.     

探测器月地转移入射变轨策略优化设计

在探测器月球采样返回任务中,从环绕月球的轨道返回地球的转移入射考虑采用一次变轨或两次变轨的方案。其中,月地转移入射一次变轨方案要求采用大推力变轨发动机,难以实现高精度轨道控制。为此,文章提出将月地转移入射一次变轨机动改为分两次执行,两次间隔大约1天的优化策略。首先讨论了月地转移入射一次变轨的基本设计方法,然后给出了月地转移入射两次变轨方案的优化设计算法流程,并采用数值算例进行了说明。此外,还对月地转移入射三脉冲变轨方案和低能月地转移轨道展开了讨论,并在多方案比较分析的基础上,推荐了月球采样返回任务采用的月地转移入射变轨策略。     

混合空间目标下的多航天器抵近观测任务规划

研究了服务航天器对多个空间目标的抵近观测任务规划问题,并考虑了高价值航天器、普通航天器以及失效航天器或空间碎片3类待观测目标。通过构建合理的评价体系,对目标观测的任务方案进行评分。建立了综合观测目标数量、观测目标类型、燃料消耗、单次点火速度增量以及任务时长的多约束优化模型,涉及的优化变量包括目标分配向量、观测次序向量以及观测时刻向量。服务航天器通过一种四脉冲机动策略抵近每个目标。采用进化算法求解规划问题,并提出一种基于动态规划（DP）的局部搜索策略以优化观测时刻,提升优化效率。最后分别给出了针对单一类型和混合类型空间目标的抵近观测任务规划算例,通过与传统进化算法的求解结果对比,说明了所提出的DP搜索策略的优势。     

编队重构的双脉冲燃料最优控制

基于Hill方程导出了四种典型编队重构的双脉冲控制算法，并揭示了编队重构时具有如下性质：椭圆编队膨胀或收缩时，在燃料最优脉冲作用下伴随卫星期望的相对位置矢量与同一时刻不施加冲量时的相对位置矢量方向相同；不同膨胀系数时施加脉冲的时刻不变，最优的燃料消耗与膨胀变化量成正比；钟摆式编队膨胀时转移轨迹在参考轨道平面内是轴对称的。最后用仿真验证了算法的有效性。