基于混合法和多打靶法的有限推力航天器协同交会优化(英文)

有限推力航天器的协同交会问题是一个高维非线性的最优控制问题,传统求解方法难以收敛到最优解或者时间花费巨大。采用混合法和多打靶法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,求解了反平方力场中的最优控制数值解。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种不同的算例表明,这种方法可极大地提高收敛性,快速有效地求解有限推力航天器的协同交会问题。     

航天器四冲量固定时间最优交会

本文研究了航天器的四冲量固定时间最优交会问题及仿真，在两航天器相对运动线性化方程组和最优交会基本方程组基础上，利用特征矢量的对称性。求得了最优点火时间、最优推力和速度增量的计算方法，仿真结果表明，该方法是可行的。     

空间轨道交会非线性优化方法研究

利用非线性规划方法研究了多脉冲最优轨道交会问题,考虑地球扁率J_2摄动影响,建立普遍适用的空间飞行器数学模型。以迭代的方法确定空间预定交会点,在此基础上建立了用于求解多脉冲最优轨道交会的非线性规划模型,并对双脉冲固定时间交会轨道进行优化,得到了最优速度增量的大小、方向和作用时间,通过仿真与Lambert轨道规划方法进行比较,验证了此方法的有效性和优越性。     

空间自主交会最优轨迹设计与跟踪控制

研究了基于最优交会轨迹的空间自主交会跟踪控制问题.根据应变能最小原则选取空间三次最优几何Hermite曲线作为交会参考轨迹,该参考轨迹在时间固定、端点及相应切矢量给定条件下应变能最小,且构造简单,光滑性好.针对空间交会模型的强耦合非线特性采用机器人控制中常用的计算力矩法设计参考轨迹跟踪控制器,实现了固定时间最优自主交会...     

半直接配点法在航天器追逃问题求解中的应用

采用半直接配点法求解时间固定两航天器追逃问题，提出一种新的数值求解追逃双方最优控制策略的方式，避免了求解非线性两点边值问题。在两航天器均为连续小推力假设条件下，以终端距离为支付函数，给出了半直接配点法求解此追逃问题的过程。在此数值方法中，根据半直接转换将微分对策问题转化为一个最优控制问题，由Gauss-Lobbato配点法最终将此最优问题转化为非线性规划问题，继而通过序列二次规划方法求解。这种半直接配点法避免微分对策问题最优策略的必要条件(两点边值问题)求解，并且数值稳定性好。数值仿真给出了追逃双发的最优控制策略和相应的追逃轨迹。     

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。     

空间最优交会

在相对体制下,本文讨论了混合指标下的最优交会问题。除给出了最优交会体制导律的结构形式外,还提供了求解最优交会制导律的参数方程组。该方程具有迭代求解形式,给数字求解带来极大方便。     

伴飞航天器燃料最优交会

应用遗传算法针对伴飞航天器由共面椭圆伴飞轨道不同位置出发，与中心航天器进行直接碰撞交会和软交会的燃料最优问题，进行了历遍求解。根据计算结果，应用多元线性回归分析得到了直接碰撞最优交会问题的解析解表达式。直接碰撞最优交会问题的解析解可作为软交会问题的次优解。     

月球软着陆轨道的时间逼近法快速优化设计

提出一种时间逼近法快速求解月球最优软着陆问题。首先,通过解析估算软着陆时间 ,将原问题转化为终端时间固定型最优控制问题。然后,优化该问题,使软着陆条件尽可能 得到满足。在此基础上,根据优化出的终端能量特性对着陆时间进行修正,得到新的终端时 间固定型最优控制问题。重复前述优化和修正,即可逐渐逼近最优软着陆时间。对于终端时 间固定型最优控制问题,将其直接离散化为非线性规划问题,采用拟牛顿法和四阶Admas预 测-校正积分方法快速求解。仿真结果表明此方法优化精度较高,收敛速度快(<1s),稳定性 好(对初值不敏感),可用于机载计算机实时生成软着陆轨道。     

基于序列凸优化的上面级远程交会轨迹优化

针对末端时间自由的上面级远程交会问题,提出一种基于序列凸优化的上面级远程交会轨迹优化方法.首先建立了末端时间自由的上面级远程交会模型,通过约束松弛和线性化等方法将该模型转化为一组可以迭代求解的凸优化问题.其次结合上面级发动机推力较大的特点,采用双脉冲变轨的计算结果作为迭代初值,进而减少迭代次数.最后用对偶内点法求出远程...     

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。
     

机动目标的空间交会微分对策制导方法

针对目标机动情况,利用定量微分对策方法分析连续推力作用下的空间交会追逃微分对问题,提出用非线性规划求解该微分对策问题的方法,建立空间交会追逃微分对策的非线性规划模型,有效解决了机动目标空间交会微分对策模型高度非线性且难于利用经典最优控制理论进行求解的问题,实现了最优控制与对策论的结合,并通过数值仿真校验了该方法的有效性。     

Six-impulse maneuvers for rendezvous of spacecraft in near-circular noncoplanar orbits

The problem of a rendezvous of two spacecraft in close near-circular noncoplanar orbits is considered. The angles of applying velocity impulses and their orientation are determined from necessary conditions of optimality derived using the basis vector theory. For non-degenerate six-impulse solutions the analytical formulas are found that approximate the dependence of moments of applying velocity impulses and angles determining their orientation on the rendezvous duration. The total characteristic velocity of six-impulse solutions (or five-impulse solutions derived from them) is compared to the total characteristic velocity obtained when solving the Lambert problem.     

空间交会调相综合变轨优化

基于近圆轨道偏差线性方程研究了摄动交会调相综合变轨问题,建立了综合变轨两层非线性优化模型:上层问题以变轨点纬度幅角为优化变量,下层问题以脉冲向量为优化变量.为了快速获得上层问题全局优化性较好的摄动解,采用了并行模拟退火算法与序列二次规划算法相结合的混合策略;下层问题使用基于可行域最速下降的线性迭代方法求解.采用一个两天近地轨道调相问题测试了本文的综合变轨求解策略,并将综合变轨与特殊点变轨、综合变轨混合优化与遗传算法优化进行了比较.结果表明,建立的两层优化模型是有效的,本文的求解策略有着良好的全局收敛性和较高的收敛效率,综合变轨相对于特殊点变轨可以显著地节省燃料.     

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。     

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。     

Orbital rendezvous mission planning using mixed integer nonlinear programming

The rendezvous and docking mission is usually divided into several phases, and the mission planning is performed phase by phase. A new planning method using mixed integer nonlinear programming, which investigates single phase parameters and phase connecting parameters simultaneously, is proposed to improve the rendezvous mission’s overall performance. The design variables are composed of integers and continuous-valued numbers. The integer part consists of the parameters for station-keeping and sensor-switching, the number of maneuvers in each rendezvous phase and the number of repeating periods to start the rendezvous mission. The continuous part consists of the orbital transfer time and the station-keeping duration. The objective function is a combination of the propellant consumed, the sun angle which represents the power available, and the terminal precision of each rendezvous phase. The operational requirements for the spacecraft–ground communication, sun illumination and the sensor transition are considered. The simple genetic algorithm, which is a combination of the integer-coded and real-coded genetic algorithm, is chosen to obtain the optimal solution. A practical rendezvous mission planning problem is solved by the proposed method. The results show that the method proposed can solve the integral rendezvous mission planning problem effectively, and the solution obtained can satisfy the operational constraints and has a good overall performance.     

非合作空间目标自主交会凸优化制导技术

为解决非合作空间目标机动、自旋、章动等动态特性对自主交会过程带来的困难和挑战，在某飞行器姿轨控一体化推进系统配置的基础上，充分考虑各类约束后构建标准的凸优化自主交会数学模型；着重分析了非合作目标动态特性对制导误差的影响，设计相应的修正策略；以原始对偶内点法作为核心求解器，设计了具备状态预测和更新能力的制导算法；数学仿真验算表明，该方法合理可行，克服了动态特性造成的接近轨迹偏差，良好地适应了非合作交会任务。     

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。