火星安全着陆轨迹快速生成的能控集法

针对火星着陆器在动力下降过程可能存在的着陆轨迹实时修正和着陆点再选择等问题,本文通过离线计算着陆器在动力下降段开始时的能控集范围,并在实际着陆过程中判断着陆器当前状态与能控集间的关系,实时确定最终着陆点并快速搜索相应着陆轨迹。若着陆器无法到达预定着陆点,则在视野范围内根据安全因子重新选择着陆点规划运动轨迹。仿真表明,基于能控集的快速轨迹规划法可根据着陆器的实际初始状态快速确定最终着陆点并获得相应着陆轨迹,以有限的燃耗实现火星安全软着陆的目标。     

参数自适应凸优化下的月面着陆最优轨迹规划

针对月面高精度下降着陆问题,提出了一种基于最优观测器的参数自适应凸优化月面着轨迹规划算法。首先,针对下降着陆主减速段需要尽可能减少燃料消耗的问题,考虑约束及动力学模型的非凸性,采用无损凸化技术将月面下降着陆问题转化为二阶锥规划问题;其次,为减少下降着陆过程中质量、比冲等参数不确定性影响,设计了基于Riccati方程的最优观测器;再根据标称参数凸优化所产生的最优轨迹进行飞行,利用该过程中加速度计实时测量信息,结合推力器输出信息,实现对着陆器参数的在线实时估计;在参数估计实现收敛后,通过在线求解二阶锥规划问题实现最优轨迹的在线规划。仿真结果表明,该观测器能够实现在线参数实时估计;该算法相较其他定点着陆算法,仅需要发动机具有离散的推力域,且具有精度更高的优势。     

基于凸优化理论的含约束月球定点着陆轨道优化

针对月球精确定点软着陆问题,考虑导航及障碍检测敏感器视场约束及制动发动机推力大小约束,对月球动力下降段轨道优化方法进行了研究。首先建立了含约束条件的三维定点软着陆轨道优化问题模型,根据庞德亚金极小值原理推导了最优推力开关方程,并给出了推力奇异区间不存在的证明。针对优化模型中的复杂非线性约束,引入凸优化理论将问题转化为二阶锥优化问题,并采用内点法求解了最优标称轨迹。最后给出了月球软着陆制动段、接近段的仿真结果,验证了该着陆轨道优化方法的有效性。     

火星着陆器进入段轨迹优化与制导研究进展

根据火星着陆器在进入段的飞行状况,分析并总结可能遭遇的困难与挑战;在间接法和直接法两方面概述飞行器轨迹优化方法,阐述当前飞行器轨迹优化研究现状以及火星着陆器进入段轨迹优化的应用情况;以标称轨迹制导法和预测校正制导法两方面分析火星着陆器进入段制导研究现状,并比较两种制导方法的优缺点,最后对火星着陆器未来研究方向做了展望。     

月面着陆动力下降段最优轨迹序列凸优化方法

针对月面着陆器动力下降制导过程中,时变惯性加速度和重力加速度难以估计与补偿等问题,提出一种基于序列凸优化的在线制导算法。在考虑月面曲率及月球自转的着陆器动力学建模基础上,首先对模型及约束条件进行凸化,得到一个二阶锥规划(SOCP)问题;然后对经典序列凸优化进行了改进,对时变加速度剖面予以实时估计和补偿,提升了现有优化算法的性能,使着陆器在尽可能节约燃料的前提下实现高精度着陆。仿真结果表明,与经典的显式制导律相比,所提出的算法在动力下降段燃料消耗更少。由多种位置偏差下的打靶分析结果可知,所提出的算法均能满足性能指标要求;即使起始位置存在±2500 m的较大波动时,仍能以高精度的速度、位置完成动力下降制导。     

火箭返回制导动力着陆段的自适应启动方法

针对重复使用火箭垂直返回着陆问题,提出了一种燃料最优的动力着陆段自适应启动方法。首先,将燃料最优启动点对应的动力着陆轨迹的推力剖面和攻角剖面描述为解析的形式,该解析形式中攻角剖面由状态量唯一确定,推力剖面仅含一个待定参数。随后,通过预测具有上述解析剖面形式的轨迹判断是否启动动力着陆。计算中引入松弛终端位置约束的策略求解推力剖面待定参数,由终端位置约束判断是否满足燃料最优启动条件。上述策略将燃料最优启动条件的判断问题简化为单一变量求解问题,实现了该问题的快速求解。仿真结果表明,该方法得到的启动点与数值优化方法得到的燃料最优启动点接近,且求解过程稳定、计算效率高。     

月球着陆器典型故障模式分析

为提高月球着陆器着陆可靠性,需识别潜在的故障模式对稳定性着陆带来的影响。建立了着陆器的动力学模型,给出了着陆器着陆时的七种极限工况,作为故障模式分析的基础;针对动力下降段三种典型故障模式,即主发动机延时关机、储箱残留液体着陆和触月信号延迟发出,建立与延时关机对应的上抛、平抛运动和数学关系,与残留液体着陆等效的单摆模型,施加触月信号延迟发出所产生的推力曲线,利用Adams软件进行动力学仿真;结果表明储箱残留液体着陆影响较小,另外两种故障模式使着陆时抗倾倒性能和缓冲性能恶化,增加着陆不稳定性。     

火星动力下降自主导航与制导技术研究进展

基于火星定点软着陆探测任务的需求，阐述了火星着陆动力下降导航与制导技术的必要性。首先分析了火星着陆动力下降段导航与制导问题，并总结了动力下降段导航与制导面临的挑战与难点，然后综述了动力下降段导航与制导技术的研究现状。最后针对未来复杂地形区精确着陆，提出了实现火星动力下降段高精度自主导航与制导需要解决的关键问题。     

基于改进配点法的最省燃料交会研究

基于改进的直接配点法,研究了有限推力最优交会控制问题。给出了有限推力交会的最优控制模型,将状态量和控制量离散化,节点间的状态量用五阶多项式表示,形成一系列代数约束,转化为一个非线性规划问题,用序列二次规划算法(SQP)求解参数最优化问题。对终端时刻自由的最省燃料交会问题的数值仿真结果表明:与直接配点法相比,改进配点法的精度较高。     

RBCC可重复使用运载器上升段轨迹优化设计

针对火箭基组合动力(RBCC)可重复使用运载器(RLV)轨迹多段、多控制变量、推力与飞行轨迹耦合,飞行轨迹设计困难的问题,提出了基于高斯伪光谱方法的数值优化求解模型和求解方法,并获得满足要求的上升段燃料最省轨迹。将该轨迹分为3部分,分别由引射火箭、亚燃冲压和超燃冲压发动机提供动力,以攻角和燃料秒流量为控制变量,根据轨迹任务和各模态发动机启动及工作条件建立优化模型、设定各段末端和路径约束,利用高斯伪谱法求解最优轨迹并利用特殊方法计算边界控制变量。通过与传统方法所得轨迹的对比表明,所建立的优化模型和方法可快速求解出RBCC运载器上升段最优轨迹,优化结果符合RBCC运载器工作特点。     

采用Gauss伪谱法的小推力日-火Halo轨道转移优化设计

针对日-地Halo轨道到日-火Halo轨道的小推力轨道转移问题,给出一种基于不变流形理论和Gauss伪谱法的优化设计方法。首先,在日心惯性坐标系中建立小推力轨道优化模型,并基于不变流形理论给出轨道转移中流形出口和入口的选择原则,应用该原则在日-地系统中选择流形出口,在日-火系统中选择流形入口,并将其作为轨道转移的初末状态;然后基于Gauss伪谱法将最优控制问题离散化为非线性规划(NLP)问题,并采用基于逆多项式的形状算法给出了NLP初值的计算方法;最后对该轨道转移问题进行了数学仿真。仿真结果表明：Gauss伪谱法可有效用于小推力日-火Halo轨道转移的优化,且采用逆多项式形状算法得到的初值具有初始误差小,使得NLP收敛速度快的特点。     

Fuel optimum low-thrust elliptic transfer using numerical averaging

Low-thrust electric propulsion is increasingly being used for spacecraft missions primarily due to its high propellant efficiency. As a result, a simple and fast method for low-thrust trajectory optimization is of great value for preliminary mission planning. However, few low-thrust trajectory tools are appropriate for preliminary mission design studies. The method presented in this paper provides quick and accurate solutions for a wide range of transfers by using numerical orbital averaging to improve solution convergence and include orbital perturbations. Thus, preliminary trajectories can be obtained for transfers which involve many revolutions about the primary body. This method considers minimum fuel transfers using first-order averaging to obtain the fuel optimum rates of change of the equinoctial orbital elements in terms of each other and the Lagrange multipliers. Constraints on thrust and power, as well as minimum periapsis, are implemented and the equations are averaged numerically using a Gausian quadrature. The use of numerical averaging allows for more complex orbital perturbations to be added in the future without great difficulty. The effects of zonal gravity harmonics, solar radiation pressure, and thrust limitations due to shadowing are included in this study. The solution to a transfer which minimizes the square of the thrust magnitude is used as a preliminary guess for the minimum fuel problem, thus allowing for faster convergence to a wider range of problems. Results from this model are shown to provide a reduction in propellant mass required over previous minimum fuel solutions.     

火箭垂直回收多阶段最优轨迹规划方法

针对火箭高空再入定点回收，基于凸优化方法提出一种考虑气动力和推力控制的多阶段轨迹优化方法。在气动减速段，通过控制总攻角，实现气动升力和阻力的调制。由于气动力连续变化，使用Legendre-Gauss-Radau伪谱离散方法进行离散化，利用较少的离散点实现较高的数值精度。在动力减速段，推力矢量为控制变量。由于推力调节可能出现不连续，采用等距离散方法进行离散。在此基础上，将发动机开、关机时间也作为优化变量，并考虑各种约束，构建了多阶段离散最优控制模型。使用无损凸化方法对升力约束和推力约束进行松弛，并通过逐次凸化消除由气动力、自由时间变量以及质量引入的非凸约束，最终将问题描述为序列迭代求解的二阶锥规划问题(SOCP)。通过仿真校验，经过少量的逐次凸化迭代，可快速收敛到最优解，且落点调节范围更大，燃料更省。     

基于非线性最优终端匹配的再入轨迹快速规划研究

针对新型升力式再入飞行器再入轨迹终端需满足多约束条件的情况,研究 了一种基于非线性最优终端匹配的再入轨迹快速规划方法。根据升力式再入特性和任务需要 ,将飞行器再入轨迹划分为初始下降段、准平衡滑翔段和终端匹配段,其中初始下降段和准 平衡滑翔段采用单参数迭代搜索法快速生成轨迹,终端匹配段则基于一种全局插值多项式来 离散化控制变量,并采用复形调优法对这一参数化最优问题进行非线性优化求解。仿真结果 表明,轨迹快速规划方法可以在半分钟内生成一条满足多终端约束的再入轨迹,并具 有较高的精度。该方法对于未来新型升力式再入飞行器具有很好的工程应用前景。
     

火星大气进入段轨迹优化与制导技术研究进展

首先根据国际上实施的火星探测任务及未来火星着陆探测的发展需求，阐述火星大气进入段轨迹优化与制导的重要性。结合火星着陆环境和探测器的气动特性等，归纳出火星大气进入段轨迹优化与制导面临的挑战。在此基础上，结合未来火星着陆任务的安全精确着陆目标，梳理火星大气进入段轨迹优化与制导所需解决的关键技术，分析目前火星进入段轨迹优化与制导技术研究进展及发展趋势。最后，对未来火星精确着陆所需的进入段轨迹优化与制导技术发展方向进行了展望。     

月球探测器直接软着陆最优轨道设计

研究月球探测器直接软着陆最优轨道的设计问题。首先根据探测器直接软着陆的特点，提出了有限推力最省燃料的最优轨道设计问题；然后利用有限推力月面软着陆的最优推力控制方向的计算公式，研究了边值条件和计算方法；最后通过直接软着陆最优轨道的算例及结果分析，发现开始制动高度越低越省能量；推力方向可变时比不可变时节省能量；推力大小可变相当于采用了多级制动，对安全定点着陆非常有利。     

吸气式高速飞行器爬升-巡航轨迹在线优化

针对吸气式高速飞行器的大气层内爬升和巡航飞行段,进行了在线轨迹优化设计。与传统的爬升段结合定高定速巡航轨迹形式不同,采用优化的方法得到的轨迹能够保证性能指标的最优性。首先,将轨迹优化问题建模为非线性最优控制问题,控制量包括攻角、倾侧角以及燃油当量比。然后,对问题的非线性进行了处理,将变量进行离散化,得到凸优化问题。分析了飞行器的气动和推力特性,设计了优化变量的初始参考。最后,设计算法的外环迭代策略,将每一次求得的解作为参考轨迹进行下一次迭代计算。数值仿真结果表明,该方法能够解决吸气式高速飞行器爬升巡航段轨迹优化问题,并且求解时间满足在线轨迹优化要求。     

基于hp伪谱同伦凸优化的火箭垂直回收在线轨迹规划方法

针对可重复使用运载火箭垂直回收轨迹优化问题,提出了一种带有最优终端时间估计策略的hp伪谱同伦凸优化在线轨迹规划算法。首先,考虑状态约束和过程约束的非凸性,采用无损凸化处理推力幅值约束;然后,结合同伦方法与不动点迭代思想将气动力与非凸质量约束转化为线性时变剖面,完成问题凸化;进一步基于hp flipped Radau伪谱法对问题进行离散化处理,将最优控制问题转化为参数优化问题,进而采用原-对偶内点法求解;最后,为进一步减少燃料消耗,提升经济效益,考虑最优终端时间难以在线确定的问题,结合解析推导与二次插值法,设计了最优终端时间快速估计策略。仿真结果表明所设计的轨迹优化算法最优终端时间估计速度快,收敛性能良好,具有较高的精度和计算效率,具备在线应用的潜力。