地球-火星的燃料最省小推力转移轨道的设计与优化

小推力转移轨道的设计与优化一直是深空探测轨道设计方面的难点。针对这些问题，提出了一种基于等高线图的初始发射机会搜索方法，该方法通过绘制探测器一火星距离的等高线图寻找满足任务约束的小推力转移轨道发射机会；同时，本文还给出了一种小推力轨道的直接优化算法，该算法通过将连续的控制变量参数化，把轨道优化问题转化为参数优化问题，然后基于所提搜索方法，采用逐次二次规划方法进行求解。数值计算验证了该发射机会初值猜测方法和优化算法的有效性。     

基于形状的行星际小推力转移轨道初始设计方法

初始设计问题是行星际小推力转移轨道设计中的难点。本文在对逆多项式逼近方法进行改进基础上,提出一种星际小推力转移轨道初始设计方法。首先,通过分析逆多项式逼近轨道的动力学特性,推导了关键系数的可行取值范围;然后,基于改进的逆多项式逼近理论,通过对加速度约束进行处理,建立了一种简单有效的星际小推力轨道设计模型;最后,为高效可靠的获得最优设计参数,采用微分进化算法对轨道设计模型进行了寻优计算。该方法不仅避免了传统逆多项式逼近遗漏可行轨道的缺陷,并且设计参数少,能够为精确设计提供一组可靠的初始设计参数。仿真计算验证了该方法的有效性。     

从地球到日-火系平动点轨道的转移

平动点轨道特殊的空间位置及动力学特征,使其在深空探测中具有重要的应用。以日-火系平动点轨道(Lissajous与Halo轨道)任务为目标,结合平动点轨道的不变流形理论,研究了小推力转移问题。首先给出了圆型限制性三体动力学模型下平动点附近不变流形(稳定和不稳定流形)高阶分析解以及相应的计算实例。接着以流形分析解为基础,建立了初始小推力轨道优化模型,并利用改进的协作进化算法求解初始小推力轨道。最后将初始轨道离散,采用多点打靶法将最优控制问题转化为参数优化问题,并用序列二次规划方法(SQP)求解。仿真结果证明轨道设计方法的有效性。     

星际探测借力飞行轨道的混合设计方法研究

以金星借力探测火星为背景,针对传统借力飞行轨道设计方法中存在的问题,提出了 一种星际探测借力飞行轨道的混合设计方法。该方法在分析借力天体特性的基础上,采用等 高线图给出可能出现借力参数匹配的区域,提出“软匹配”策略进行轨道拼接,采用混合优 化设计方法得到轨道优化设计参数,有效地解决了传统方法对一些满足约束条件转移轨道方 案的遗漏问题。本文以2017-2018年金星借力探测火星为例给出了设计结果,设计参数与 M.Okutsu给出的一致,同时还得到了该参数区域一个新的借力轨道转移方案。此外,本文还 对2010-2018年采用金星借力探测火星的转移轨道进行了研究,给出了金星借力探测火星 较好的设计参数区域,这些研究对于未来可能的火星探测任务的设计与规划具有重要的参考 意义。
     

小推力地球卫星圆轨道同轨调相设计方法研究

在研究小推力地球卫星圆轨道同轨调相任务设计问题的基础上,提出了一种半解析调相参数分析方法,并据此发展了一种高效的精确设计方法.首先,根据推力方向对卫星相位角的影响规律,采用推力方向假设和轨道平均技术推导了调相轨道参数满足的函数关系,通过微分修正可快速获得调相轨道的关键参数;然后,基于摄动轨道动力学模型,通过对控制量进行离散化建立了复杂约束条件下的燃料最省调相轨道设计模型,并以初始分析结果为初值,采用序列二次规划算法进行求解;最后,以地球同步轨道调相任务为例对所提方法进行了数值验证.数值仿真结果表明:提出的初始分析方法可为调相轨道设计提供合理的初值猜测,发展的鲁棒设计方法可有效用于摄动模型复杂约束下的小推力调相轨道设计.     

应用非线性规划求解异面最优轨道转移问题

研究了一种应用非线性规化求解有限推力作用下异面最优轨道转移问题的方法。采用改进春分点根素形式的高斯行星方程，从庞德里亚金极小值原理出发，将有限推力作用下异面最优轨道转移问题转化为两点边值问题；在考虑边界条件、横截条件及开关函数的前提下，将两点边值问题转化为针对协状态初值等的参数优化问题；最后应用非线性规划方法求解形成的参数优化问题。本方法特点是能得到开关函数从而得到最优发动机开关机逻辑。文章最后通过一个仿真计算，演示了完整的求解过程，验证了方法的有效性。     

基于退火遗传算法的小推力轨道优化问题研究

利用退火遗传算法解决小推力轨道优化问题。首先利用传统混合法将轨道优化问题归结为受非线性方程约束的参数优化问题。通过结合退火和随机惩罚函数对约束条件进行处理后，用遗传算法求解这个参数优化问题。最后再采用局部优化算法提高解的精度。这种算法既保持了传统混合法精度高、解轨线光滑的优点，又克服了传统轨道优化方法收敛性差、初始猜测困难、容易陷入局部极小解的缺点。在本文的最后，利用文中提出的轨道优化算法求解“喷-停-喷”型定常推力幅值地球-木星轨道转移问题。算例证明此算法可以有效地求解小推力轨道转移问题，尤其适用于传统轨道优化方法难以求解的复杂轨道优化问题。     

基于伪光谱方法的有限推力轨道转移优化设计

研究了伪光谱方法在空间飞行器有限推力轨道转移最优化问题中的应用。首先给出了空间飞行器轨道转移最优化控制问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为轨道转移过程中燃料消耗最小,控制变量为推力攻角。终端状态受到航迹角、高度和速度的约束。然后,应用伪光谱方法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,即将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用基于Matlab语言的SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解,该软件包对于求解大型非线性规划问题具有很好的收敛性。仿真结果表明伪光谱方法对于空间飞行器转移轨道初始参数取值不敏感,具有一定的鲁棒性,生成的轨道能够较好地满足各种约束条件。因此,伪光谱方法对于空间飞行器有限推力轨道转移问题的求解是可行的。     

基于不变流形的小推力Halo轨道转移方法研究

利用动力系统理论中的不变流形概念设计向halo轨道转移的小推力轨道。首先,根据小推力发动机是否工作将转移轨道划分为上升段和滑行段。两个轨道段分别采用不同的动力学模型描述;并通过不变流形和Lyapunov反馈控制原理将整段轨道参数化;最后进行参数优化获得最优转移轨道。这种方法通过合理选择坐标系和利用反馈控制的方法,避免了由三体动力学模型以及最优控制问题的共轭方程所具有的极强的非线性带来的求解困难。具有很强的收敛性;优化过程的每一步中不包含迭代过程,计算速度快。并以从地球停泊轨道向日-地L2点halo轨道转移为例验证了此方法的有效性。这种方法对小推力动平衡点任务设计有着重要的实际意义。     

地月空间NRHO与DRO在月球探测中的应用研究

针对地月系统三体问题低能往返轨道转移在月球探测中的应用研究，结合天体借力飞行技术与混合优化技术，系统分析了不同目标轨道与借力方位对任务飞行时间与燃料消耗等关键参数的影响，给出了往返轨道设计初值的选择策略。针对轨道设计初值猜想问题，首先采用遗传算法与二体Lambert转移快速确定轨迹拼接点初值。在同时考虑近月点与近地点多约束条件下，基于序列二次规划算法与多重打靶法进一步对燃料最优的地月往返轨道进行研究，并推导了约束方程解析梯度提高设计效率。最后分析近月点高度、不同目标轨道的转移时间与燃耗变化特性，对于考虑月球借力的地月空间轨道往返转移设计及参数选取具有重要的参考价值。     

基于傅立叶平均法下的连续小推力动力学分析

通过将小推力展开为偏近点角的傅立叶级数,并对高斯摄动方程在一个轨道周期上的平均,将原方程的推力转化为仅由14个傅立叶系数表示的控制变量。仿真计算表明,平均化后的高斯方程使计算量与牛顿积分相比显著减少,且对小推力而言有足够的精度。对利用平均化后的高斯方程计算轨道根数时产生误差的原因进行了研究,并进一步分析小推力的范围和小推力近似表达式对上述误差的影响,为今后小推力下非开普勒轨道动力学分析提供了理论依据和参数。     

Method of continuation for optimization of interplanetary low-thrust trajectories

The problem of local optimization of interplanetary low-thrust trajectories is considered with the use of the maximum principle and continuation numerical methods. Two types of problems are analyzed: problems with limited power and problems with limited thrust. The latter problem is generalized by introducing the dependence of thrust and specific impulse on available electric power. In order to reduce the problem of optimal control to a boundary value problem, the Pontryagin maximum principle is used, and then, using the continuation method, this boundary value problem is reduced to the Cauchy problem. Variants of the continuation method for optimizing low-thrust trajectories are presented in the paper, including a new method of continuation for the limited thrust problem, which does not require any choice of the initial approximation for boundary values of conjugate variables.     

Design of Interplanetary Transfers with Passive Gravity Assists and Deep Space Maneuvers

In the paper, the problem of designing interplanetary trajectories with several swing-bys and deep-space maneuvers is solved using the method of virtual trajectories developed by the authors. The algorithms for the calculation of both heliocentric and planetocentric trajectory arcs are presented, including the case of resonant trajectories. The results of applying the method of virtual trajectories to the problem of designing an interplanetary transfer to Jupiter are given and compared with the baseline trajectories for the Juno, Europa Clipper, and Laplace missions.     

High order optimal control of space trajectories with uncertain boundary conditions

A high order optimal control strategy is proposed in this work, based on the use of differential algebraic techniques. In the frame of orbital mechanics, differential algebra allows to represent, by high order Taylor polynomials, the dependency of the spacecraft state on initial conditions and environmental parameters. The resulting polynomials can be manipulated to obtain the high order expansion of the solution of two-point boundary value problems. Since the optimal control problem can be reduced to a two-point boundary value problem, differential algebra is used to compute the high order expansion of the solution of the optimal control problem about a reference trajectory. Whenever perturbations in the nominal conditions occur, new optimal control laws for perturbed initial and final states are obtained by the mere evaluation of polynomials. The performances of the method are assessed on lunar landing, rendezvous maneuvers, and a low-thrust Earth–Mars transfer.     

A low-thrust transfer between the Earth–Moon and Sun–Earth systems based on invariant manifolds

A low-energy, low-thrust transfer between two halo orbits associated with two coupled three-body systems is studied in this paper. The transfer is composed of a ballistic departure, a ballistic insertion and a powered phase using low-thrust propulsion to connect these two trajectories. The ballistic departure and insertion are computed by constructing the unstable and stable invariant manifolds of the corresponding halo orbits, and a complete low-energy transfer based on the patched invariant manifolds is optimized using the particle swarm optimization (PSO) algorithm on the criterion of smallest velocity discontinuity and limited position discontinuity (less than 1 km). Then, the result is expropriated as the boundary conditions for the subsequent low-thrust trajectory design. The fuel-optimal problem is formulated using the calculus of variations and Pontryagin's Maximum Principle in a complete four-body dynamical environment. Then, a typical bang–bang control is derived and solved using the indirect method combined with a homotopic technique. The contributions of the present work mainly consist of two points. Firstly, the global search method proposed in this paper is simply handled using the PSO algorithm, a number of feasible solutions in a fairly wide range can be delivered without a priori or perfect knowledge of the transfers. Secondly, the indirect optimization method is used in the low-thrust trajectory design and the derivations of the first-order necessary conditions are simplified with a modified controlled, restricted four-body model.     

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。     

Venus transfer design by combining invariant manifolds and low-thrust arcs

The design of interplanetary trajectories based on patched circular restricted three body models is gradually becoming a valuable alternative to the classical patched conic approach. The main advantage offered by such a model is the possibility to exploit the manifold dynamics to move naturally far from or toward a body. Generally, propulsive maneuvers are required to match these structures. Low-thrust arcs offer the possibility to have a significant propellant mass reduction when moving from manifold to manifold. The aim of this paper is to present a methodology to design low-thrust trajectories between two planetary orbits connecting the manifolds of two circular three body systems. The approach is based on a grid search on the main parameters governing the solution to identify those trajectories moving within the manifold images on given Poincarè sections. The value of the Jacoby constant of the target libration point periodic orbit is chosen as stop condition for the thrusting phases. Ballistic arcs follow up to the proper Poincarè section intersection. A grid search for an Earth to Venus transfer is presented as test case.