序列凸优化的小天体附着轨迹优化

针对小天体附着多约束轨迹优化问题，提出一种基于序列凸优化的轨迹优化方法。首先采用内球谐引力场模型对目标小天体附近的不规则引力场进行精确建模，内球谐引力场模型是对经典球谐系数法的改进，形式简单，计算量小，并且克服了经典球谐系数模型在形状不规则的小天体附近不收敛的问题。对于小天体附着多约束轨迹优化问题，通过约束松弛、线性化、离散化过程，转化为一个可以迭代求解的二阶锥规划问题（SOCP），进而采用内点法进行解算。数学仿真结果显示，优化结果符合各项约束条件，以零速度到达了目标着陆点，且符合燃耗最优的优化目标。利用序列凸优化算法进行小天体附着燃耗最优轨迹设计，推导简便，计算速度快，精度高，具有应用价值。     

小天体探测器着陆附着技术研究

探测器着陆附着技术是小天体探测任务中的关键性技术,关系到任务的成败。文章介绍了美国、欧洲、日本已先期开展的部分小行星、彗星等小天体探测任务,对国内外小天体探测着陆附着技术的研究现状进行了说明。分析了北京空间机电研究所提出的一种用于小行星表面勘测的新概念着陆附着系统,并进行了可控重复附着功能设计和试验,结果表明,新系统能够实现在厘米级粗糙尺度的小行星硬质表面可靠附着。由于新系统的附着模块采用了仿生甲虫爪刺抓附原理设计,其着陆缓冲模块展开折叠比高、着陆稳定性强,研究成果可以为中国小行星探测任务提供技术支撑。     

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。     

升力式飞行器最短返回时间离轨点设计方法

针对升力式飞行器升阻比较大、横向再入机动能力较强的特点，提出了一种综合考虑着陆场位置、返回时间和离轨燃耗约束的最短时间离轨点设计方法。首先，在飞行器运行轨道和着陆场位置给定的条件下，求解了着陆点与星下点轨迹的最小横向距离，并考虑位置及时间约束，根据再入可达域参数确定了再入航程角和再入时间范围。其次，考虑离轨燃耗约束，推导了再入角给定时离轨航程角和离轨时间的解析计算方法，采用牛顿迭代法求解二者取值范围。最后，依据离轨段及再入段航程角范围确定了离轨窗口，用非线性优化方法求解了返回时间最短的离轨点位置。数值仿真表明，所提方法能实现多约束下的飞行器最短返回时间离轨轨道计算，具有较好的适应性，可为航天器离轨方案设计提供参考。     

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。     

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。     

基于高斯—伪谱法的月球定点着陆轨道快速优化设计

利用高斯伪谱法(Gauss Pseudospectral Method, GPM),对登月飞行器定点软着陆轨道快 速 优化问题做出了研究。将控制变量和终端时间一同作为优化变量,同时离散控制变量与状态 变量,对最优控制问题进行求解。并针对GPM的特点,设计了从求取初值到高精度参数的软 着陆轨道优化策略。利用此方法求取了月面着陆可达区域,在此基础上对定着陆点最优轨道 进行了设计。仿真结果表明此方法具有较强的鲁棒性和快速收敛性。
     

月球最优软着陆两点边值问题的数值解法

对于月球软着陆,燃耗最优是制导过程的基本要求.文中首先应用极大值原理设计了最优着陆制导控制律,此时求解最优轨迹变成一个两点边值问题(TPBVP).本文利用一种基于初值猜测技术的打靶法求解这个两点边值问题,得到软着陆最优轨迹.结果表明该方法可有效改善迭代计算,具有一定的优越性.     

一种新型火星定点着陆轨迹快速优化方法

针对火星定点着陆任务大气进入段的轨迹规划问题,给出了一种基于hp Radau伪谱法的快速优化算法。综合考虑大气进入段的动力学约束、边值约束、以及着陆器的机动能力约束和安全性约束,结合hp Radau伪谱法的配点特性,将轨迹优化问题转换成一个大规模多约束参数优化问题,给出了大气进入段轨迹优化问题的求解框架;为了提高算法的计算效率,给出了参数优化过程中雅克比矩阵的解析表达式;并通过数学仿真对本文算法进行了数值验证,结果表明：     

行星着陆轨迹优化技术研究进展

针对行星大气进入、动力下降过程动力学环境及约束条件等进行了分析,回顾了近年来行星着陆轨迹优化的研究现状。在此基础上,结合行星着陆轨迹优化技术在动力学特征、约束条件、不确定环境方面的特点,从非线性动力学的等价/近似变换技术、复杂约束条件下的最优轨迹快速求解技术、不确定条件下的能控/能达性分析技术三个方面,对行星着陆轨迹优化的关键技术进行了梳理。     

载人登月绕月自由返回轨道与窗口精确快速设计

针对载人登月任务背景及工程约束,提出一种轨道与窗口一体化设计方法。通过两次坐标转化,将自由返回轨道设计参数解耦为近月点独立变量。在双二体假设下,通过4段二体轨道拼接完成自由返回轨道初值快速搜索及匹配近地停泊轨道(LEO)面的月窗口,其结果作为下一步采用序列二次规划（SQP）迭代求解高精度动力学模型轨道参数的初值,在该条精确轨道近月点时刻90 min邻域内产生可以匹配LEO地月转移入轨相位的零窗口轨道。算例表明,该流程能够精确快速地完成具有复杂任务背景及苛刻工程要求的载人登月绕月自由返回轨道与窗口设计问题。     

一种基于EPSO的航天器交会轨迹优化方法

研究了航天器在固定时间内燃料最省的多脉冲交会问题,提出了一种基于种群熵粒子群优化 (Population Entropy based Particle Swarm Optimization,EPSO)算法的交会轨迹优化设计方法。采用线性化C\|W方程描述航天器的相对运动,以能耗最优为控制目标,得到了基于连续推力的最优转移轨迹,用于确定脉冲点的位置。考虑工程实用性,采用多脉冲控制方法,利用脉冲点的位置参数建立了以脉冲点时间间隔为决策变量的优化目标函数,并用EPSO算法进行求解。在EPSO中,种群熵描述粒子在搜索空间中位置分布的混乱程度,并通过上一代的种群熵确定下一代的搜索空间,从而减少搜索空间的浪费,提高了算法的搜索速度和收敛精度。仿真结果表明,算法本身具有良好的优化性能,适用于航天器轨迹优化。     

导弹发射包线指数优化搜索仿真分析

以某型近距空空格斗导弹为例，针对传统计算导弹发射包线精度较低、模型复杂、解算耗时长问题，分析影响导弹发射包线形状大小的重要参数，建立简化的导弹六自由度运动模型。在搜索包线边界时，综合考虑八个重要运动参数，构建指数多项式函数，粗略估算初始搜索空间，避免搜索初始值的盲目性。在黄金分割法的基础上，提出指数优化搜索算法，结合每次搜索值的空间误差和函数值误差，更新并优化下一次搜索的黄金分割点。利用模型和Matlab仿真平台，解算弹道轨迹，利用搜索到的边界值进一步优化距离多项式系数，使初始计算值更接近真实边界值。实验表明，本文方法解算的弹道轨迹和发射包线与实战中数据基本吻合，有效地提高了计算精度；指数优化搜索算法有效减少了仿真计算次数，缩短了整体耗时。     

基于上升轨迹可达范围的目标拦截发射窗口计算

针对低轨目标拦截任务,提出一种利用上升轨迹可达范围分析的发射窗口计算方法。首先,建立以上升时长和航程为性能指标的上升轨迹和优化模型,确定拦截器上升轨迹可达范围。然后,根据目标星下点与上升轨迹可达范围外包络的穿越关系以及拦截器的上升时长范围,对发射窗口进行初筛,得到准发射窗口。最后,针对每一段筛选出的准发射窗口,通过精确判定目标星下点与每一上升时长可达范围子环的位置关系,得到每段准窗口中能够实现目标拦截的发射窗口,将其取并集得到针对目标拦截的精确发射窗口。仿真表明本文提出的计算方法能够快速准确得到目标拦截的发射窗口。     

RLV末端能量管理段轨迹在线规划与制导

针对可重复使用飞行器（RLV）末端能量管理段利用数值优化算法在线规划轨迹的实时性无法保证,工程应用性差的问题,在末端能量管理段的航向调整段（HAC）轨迹前增加直线预测捕获段(PASL),并在该阶段提前完成末端区域能量管理(TAEM)段轨迹的在线规划,从而降低工程中对轨迹在线规划方法实时性的高要求。首先,通过求解零气动角下的质点运动方程解析解,得到直线预测捕获段结束点的飞行状态预测值作为TAEM段轨迹的初始点状态。然后,在线求解以航向调整段进入点飞行器航向角偏差最小为目标函数,以动压、过载和速度滚转角限制为约束的非线性规划问题,得到航向调整螺旋线中心的最优位置。最后,设计了以规划轨迹确定的标称气动角指令为前馈,以跟踪偏差的比例+微分律生成指令(PD)为反馈的TAEM段制导律。算例仿真校验了本文基于弹道预测的末端能量管理方法的有效性。     

载人飞船全系数自适应再入升力控制

本文从控制角度分析载人飞船再入升力控制的特点，将全系数自适应控制方法应用于载人飞船的升力控制研究中，并就落点精度、最大过载、燃料消耗、姿态平稳性等几方面，同制导理论中经典的标准弹道升力控制、落点预报算法中的ＰＩＤ算法进行了仿真比较，证明了本文方法的优越性。     

一种燃料最省的火星精确着陆动力下降段快速轨迹优化方法

针对火星精确着陆问题,给出一种燃料最省的火星着陆动力下降段快速轨迹优化方法。首先以燃料最省为指标建立了着陆器动力下降段轨迹优化问题模型,然后利用极大值原理对该模型的推力大小、推力方向与协状态变量之间的关系进行分析,得出着陆器推力只能以最大或最小推力工作、推力方向和与速度对应的协状态矢量方向相同的结论。并以此为基础,将原问题的状态微分方程和协状态微分方程转换为有限个推力为常值的分段函数,推导每段内微分方程的解析表达式,给出了动力下降段轨迹优化方法的算法流程;最后通过数学仿真将所提出的方法与凸规划、多项式制导方法进行比较。结果表明该方法不仅避免了多项式方法没有考虑推力约束及燃料消耗的缺陷,而且在计算效率方面较凸规划方法有大幅度提高。     

面向临近空间高机动目标的改进预测命中点规划方法

研究面向临近空间高超声速目标的预测命中点设计问题,考虑到高超声速目标机动能力强,拦截系统的目标预报弹道中存在多次出现斜距相同的情况,导致基于斜距的预测命中点设计方法不适用。通过引入目标弹道预划分手段,保证在每个预测命中点搜索区间的斜距具有单调性,以便可以快速有效搜索到预测命中点,解决当前方法的局限性。结合拦截弹的标准弹道族计算,提出了基于目标弹道预划分的改进预测命中点设计方法。在此基础上,考虑到延时发射,通过状态转换的方法,将三维平面进行降维处理,获得标准弹道族与目标弹道的所有位置重合点,并通过两者飞行时间时长对比筛选出可行拦截弹道方案,从而获得发射时间窗口。最后,通过开展仿真分析说明了提出方法的有效性。     

软着月任务窗口与轨道设计方法研究

建立了一套应用于多约束条件下软着月任务的窗口计算以及轨道设计方法。针对经历发射 段、地月转移段、绕月段及动力下降段的月球探测器,综合考虑各个特征点的位置、光照、 测控等约束,结合轨道特性,采用着月点→近月点→入轨点→发射点倒推的方式,快速确 定探测器的发射窗口。在其中选择发射时刻后即可计算转移轨道的轨道根数初值,并搜索计 算精确轨道。该方法对于我国月球探测后期工程的发射窗口计算与轨道设计工作有较重要的 参考价值。