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。     

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。     

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。     

有限推力下相对绕飞轨道的直接形成

提出了一种有限推力下主动航天器在完成轨道转移的同时形成相对目标航天器绕飞的方法。根据以改进春分点轨道根数表示的非奇异轨道摄动方程,用变分方法将问题转化为经典的最优控制,由相对运动动力学获得主动航天器实现绕飞须满足的终端约束条件,再用非线性规划求解。给出了求解模型。理论分析和仿真结果表明,该方法理论上可行,但为减少干扰产生的偏差,还需对绕飞形成过程中的导引率进行研究。     

大范围轨道机动的燃料消耗优化方法

针对航天器大范围轨道交会提出了二冲量燃料最省机动方案的数值寻优算法及多冲量机动方案的啸声境遗传算法.利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确小生境遗传算法.利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确性进行了验证,通过仿真实验,比较了大范围交会轨道机动中不同冲量次数对总燃料消耗的影响,分析得出了非共面轨道交会机动时燃料最省的指导性方案.     

相邻两航天器相对运动近似方程的解析解及比动能方程

在地心引力场中,当目标航天器沿近圆轨道作无动力运动时,与目标航天器相邻的受控航天器相对于目标航天器的运动可以近似地用Hill方程描述。文章给出了受控航天器对目标航天器运动的推力加速度随时间线性变化时Hill方程的解析解。并根据Hill方程导出了受控航天器相对目标航天器运动的比动能方程。还讨论了比动能方程在上述两航天器轨道相遇和轨道交会问题中的应用。     

发动机失效状态下空间交会的主动防撞设计

针对空间交会对接中的主动防撞问题,分析了航天器椭球型安全区域的碰撞问题.同时,在某一方向发动机失效的情况下,利用控制力耦合效应,设计了航天器主动防撞机动的控制律.结合安全区域分析和轨道机动的燃料消耗选择一条燃料最优的安全转移轨道.最后通过仿真,验证了发动机失效情况下的主动防撞机动控制律的有效性.     

基于极坐标方程的悬停编队和交会控制研究

研究共面轨道航天器悬停编队和交会控制问题.基于轨道面板坐标运动方程,建立航天器期望状态和实际状态运动方程,将实际状态追踪期望状态问题化为参考模型跟踪误差控制问题求解.针对参考模型跟踪误差方程的时变耦合性.采用Lyapunov定理及LaSalle不变性原理设计不同偏心率悬停编队和椭圆参考轨道交会最优控制律,并分析系统稳定性.仿真结果验证了该算法的正确性和有效性.     

相邻两航天器相对运动近似方程的解析解及比动能方程

在地心引力场中，当目标航天器沿近圆轨道作无动力运动时，与目标航天器相邻的受控航天器相对于目标航天器的运动可以近似地用Ｈｉｌｌ方程描述。文章给出了受控航天器对目标航天器运动的推力速度随时间线性变化时Ｈｉｌｌ方程的解析解。并根据Ｈｉｌｌ方程导出了受控航天上对目标航天器运动的比动能方程。还讨论了比动能方程在上述两航天器轨道相遇和轨道交会问题中的应用。     

基于脉冲初值的小推力转移轨道优化研究

针对小推力转移轨道优化过程往往忽略初值多样性的现状,研究了基于不同脉冲初值的小推力转移轨道优化问题。基于直接法的离散思想建立了小推力转移轨道优化模型,提出了基于粒子群和序列二次规划的组合优化算法,以地球1∶1共振近地小行星2016HO3交会任务为例,将3种典型的脉冲轨道作为初值设计了燃料最优小推力转移轨道。仿真结果表明:3种初值轨道优化得到了2个小推力转移发射窗口,两者燃料消耗差距不超过6%。不同的初值对小推力轨道的整体性能指标影响较小,但开关机时刻和推力方向的变化会产生较大差异,从而得到不同的最优控制曲线。     

Optimization of Perturbed Spacecraft Trajectories Using Complex Dual Numbers. Part 2: Numerical Results

Cosmic Research - Numerical results are presented for optimizing the perturbed trajectories of spacecraft with finite-thrust. The optimal trajectories are calculated using an indirect approach...     

基于Gauss伪谱法的多UAV协同航迹规划

将伪谱法应用于多无人飞行器（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）协同航迹规划,给出了基于Gauss伪谱法（Gauss Pseudospectral Method, GPM）的多UAV协同航迹规划方法。根据UAV的物理特性,结合协同规划的要求,建立了多UAV协同规划的最优控制模型。此模型包括UAV机动性能约束、路径约束、多UAV协同打击约束和集结区约束;利用GPM将最优控制问题转化为非线性规划问题,并用非线性规划软件求解。仿真结果表明,该方法能够满足多UAV的协同规划要求,具有较高的求解精度。     

空间合作目标运动再现的相似设计方法研究

以相似理论为基础设计一种绝对运动等效代换方案以在地面试验中实现空间合作目标绝对运动与相对运动同时再现。首先应用量纲分析法给出空间合作目标轨道姿态动力学问题地面试验的相似准则;然后,提出绝对运动等效代换方法,并以此为基础建立运动再现地面试验模拟器的轨道姿态动力学方程;最后以航天器交会对接最终逼近段地面验证试验为例给出地面试验系统验证方案的具体实施步骤,并通过仿真算例说明所提方法的有效性。     

空间合作目标运动再现的相似度分析

研究了空间合作目标运动再现的相似度度量方法。首先,给出空间合作目标运动再现轨道姿态变量的缩比因子以及仿真系统相似度的建立要素;其次,建立运动再现的相似度评估指标模型,确定了相似元及其特征变量,给出了相似度的权重构造方法以及相似特征变量相似值的计算方法,并在此基础上提出了相似度的度量公式;最后以航天器圆轨道交会对接最终逼近段地面验证试验为例进行了相似度分析。仿真表明这种分析方法对于试验方案的选择及改进具有指导意义。     

交会飞行器的交会轨道研究

交会飞行器是一种与具有某种运动规律的目标交会的飞行器.目前,各个国家为了争夺空间优势,对交会飞行器的交会轨道进行大量的研究,为了提高我国的空间交会能力,本文对交会飞行器的交会轨道进行研究,提出了4种交会飞行器的交会轨道方案,分析了它们的优缺点,对处于不同轨道面的目标,根据各自的具体情况,综合使用了4种交会方式.     

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。     

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。
     

一种基于CW方程的交会远程导引终端误差分析新方法

直接采用轨道坐标系的相对位置和速度描述交会远程导引误差会产生误差放大的不合理现象,对远程导引误差的精确分析需寻求新的误差描述与分析方法。本文在算例分析的基础上提出了一种基于CW方程的远距离导引终端误差分析新方法,并利用该方法建立误差模型分析远程导引的误差分布与传播。分析结果表明基于CW方程的远程导引误差模型能较为准确地描述远程导引终端的误差状态和后续传播情况,适合在实际工程中用于描述远程导引终端精度指标。     

GEO编队空间机器人系统交会方法

针对地球静止轨道（GEO）上被服务航天器的远距离和非合作特点,提出一种高自主、高协同、多任务的编队空间机器人在轨服务系统方案,实现对非合作目标的自主交会接近。首先,分析GEO卫星轨道约束力小的轨道特征和非合作的信息交互特征,给出由操作空间机器人和监视空间机器人组成的编队在轨服务系统,设计交会接近相对测量分系统以及在轨服务飞行任务;接着,给出典型远距离交会接近的多视线相对导航方法与多冲量相对制导律;最后,进行远距离交会任务仿真校验,结果表明编队空间机器人交会接近方法是有效的。