基于CW方程的航天器追逃问题半直接求解方法

针对时间固定的两航天器追逃问题,提出一种以半直接配点法研究追逃双方最优控制策略的求解方法。航天器追逃问题是基于微分对策的追逃问题,该问题是含有追逐者和逃逸者控制变量的两点边值问题。若采用必要条件求解,则对迭代初值要求高,收敛困难。在两航天器均为连续小推力的假设条件下,以终端距离为支付函数,给出半直接配点法的求解过程。在此数值方法中,根据半直接转换将微分对策问题转化为最优控制问题,采用Gauss-Lobbato配点法将此最优问题最终转化为非线性规划问题,继而通过序列二次规划算法求解。这种半直接配点法避免了对微分对策问题最优策略的必要条件(两点边值问题)求解。采用该方法求解对迭代初值不敏感,且数值稳定性好。数值仿真实例验证了这种求解方法的可行性。该方法提高了求解两点边值问题的收敛性,为求解含有双方控制变量的微分对策问题提供了一种思路。     

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。     

基于深度神经网络的无限时域型航天器追逃策略求解

航天器追逃博弈是当前航天领域的一个研究热点,传统上多采用微分对策来获取追逃双方的最优控制策略,但是方法求解复杂、计算量大,难以满足复杂任务和对抗类任务的实时性要求。随着机器学习技术的发展,利用深度神经网络结构实现全部或部分的在线决策成为可能,因此研究了基于深度神经网络生成无限时域型追逃博弈最优控制策略问题。首先基于CW方程建立追逃博弈相对运动模型,采用微分对策理论得到追逃最优控制策略,得到训练数据集和测试数据集;基于TensorFlow环境搭建了4层神经网络,采用Adam优化算法对网络进行训练。仿真结果表明,经过训练的深度神经网络生成的控制策略与传统方法的策略基本一致,虽然长时间追逃的控制差异逐渐增大,但变化趋势相同,说明利用深度神经网络生成航天器追逃博弈的机动策略是有效的。     

间接Legendre伪谱法的欠驱动航天器姿态运动轨迹跟踪

针对仅带有两组喷气推力器的非轴对称欠驱动刚性航天器，提出一种基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法。首先采用Legendre伪谱法(LPM)离线规划出系统的最短时间姿态机动参考轨迹。接着将实际运行轨迹与参考轨迹之间的偏差作为变量，根据Pontryagin极小值原理必要条件把系统姿态运动跟踪问题转化为一个两点边值问题(TPBVP)。最后采用 Legendre-Gauss-Lobatto(LGL)点将此两点边值问题离散转化为一个线性方程组来求解，避免了对传统Riccati微分方程的积分运算。数值仿真校验了本文基于间接Legendre伪谱法的姿态运动轨迹跟踪控制算法的有效性。     

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。     

飞行器同平面连续推力下最佳变轨策略研究

根据最优控制理论设计最优控制模型，将求解最优变轨问题转变成求解两点边值问题(TPBVP)；采用一阶梯度法进行粗略计算，得到近似结果；采用邻近极值算法进行精确计算，得到了满意的结果。     

连续推力最优变轨的一种优化解法

根据最优控制理论设计最优控制模型，将求解最优变轨问题转变成求解两点边值问题（TPBVP）；采用一阶梯度法进行粗略计算，得到近似的初值；采用邻近极值算法进行精确计算，得到了满意的结果。     

空间飞行器在视线坐标系中的追逃界栅

针对近地共面圆轨道上的两飞行器追逃问题,应用定性微分对策理论,在双方均为连续小推力假设下,研究了在视线坐标系下对策双方在中立结局上的最优控制策略及中立结局的非线性界栅构造及线性界栅的求解方法。在线性化方法中,首先针对方程中的状态变量作线性化,待最优推力确定后,再对推力变量在确定的终端附近线性化。本文理论推导最终得到了最优推力及线性化界栅表达式,给出线性化界栅与非线性数值逼近解的仿真结果。     

轨道机动的时间-能量综合最优控制

围绕航天器快速精确轨道机动问题,探讨在持续小推力作用下,航天器轨道机动中时 间和能量综合最优控制的技术和方法。基于Pontryagin最小(大)值原理,针对目标轨道为平 面和空间椭圆的情况,推导了时间-能量综合最优控制的Hamilton正则方程组、终端条件 、横截条件和最优控制的表达式,应用数值方法求解正则微分方程组的两点边值问题,得到 了最优控制的数值解,包括最小时间、最小能量、最优轨道、最优控制时变曲线和最优反馈 控制曲线等,实现轨道机动最优控制的精确数值模拟。从数值结果的对比分析中得出了一些 有意义的结论,可供工程实际参考。
     

稀疏拟谱最优控制法求解Goddard火箭问题

提出了一种新的基于直接转化法的求解基于常微分方程(ODE)和微分代数方程(DAE)的最优控制问题的数值方法.该方法通过Legendre-Gauss拟谱法同时离散化状态变量和控制变量,把最优控制问题转化为一个非线性规划问题,并利用改进的多相处理方法避免优化无控段,同时基于稀疏矩阵探索其一阶导数信息.数值结果表明,与传统的直接转换法相比,该方法是一种通用高效的精度较高的ODE/DAE最优控制直接数值求解法.最后,从工程观点出发,应用该方法成功求解了终端自由有路径约束的奇异最优控制问题Goddard火箭问题.     

UKF参数估计在航天器气动辅助变轨问题中的应用

为快速精确地求解气动辅助变轨问题，提出一种基于无损卡尔曼滤波(UKF)参数估计的数值求解方法。首先，针对气动辅助变轨问题，利用极大值原理将其转化为对应的两点边值问题;然后，以协态变量的初值作为估计参数，以末端条件为期望观测值，将该两点边值问题转化为参数估计问题，并应用UKF滤波算法求解。该算法基于估计理论，避免了计算传统数值方法所需要的梯度矩阵，同时克服了猜测协态变量初值的困难，降低了求解气动辅助变轨问题的难度。数值仿真表明，该算法结构简单，求解效率高，具有良好的鲁棒性。     

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。     

Optimization of interplanetary trajectories for spacecraft with ideally regulated engines using the continuation method

The problem of optimization of interplanetary trajectories is considered for spacecraft with a small-thrust ideally regulated engine. When the maximum principle is used, determination of the optimal trajectory is reduced to solution of a two-point boundary value problem for a system of ordinary differential equations. In order to solve this boundary value problem, the method of continuation in parameter is used, and with the help of it the formal reduction of the boundary value problem to a Cauchy problem is performed. Different variants of the continuation method are considered, including the method of continuation in the gravitational parameter which allows one to find extreme trajectories with a preset angular distance. The issues of numerical realization of the continuation method are discussed, and numerical examples of its use for solving the problems of optimization of interplanetary trajectories are presented.     

基于追逃博弈的非合作目标接近控制

针对追踪航天器接近非合作目标任务中的相对位置控制问题,提出了一种基于线性二次型追逃博弈的控制方法。首先,将非合作目标接近问题转化为二人追逃博弈问题,并设计了二次型目标函数。其次,结合相对运动模型,建立了线性二次型追逃博弈模型。为得到纳什均衡策略,将HJ方程转化为代数黎卡提方程,并给出了李雅普诺夫迭代法对其求解。最后,对博弈控制方法的有效性进行仿真验证,结果表明,该方法能够在非合作目标机动时实现轨道接近控制。     

Optimization of Multi-Orbit Transfers between Noncoplanar Elliptic Orbits

Using the maximum principle formalism, the problem of optimizing interorbital transfer between two noncoplanar elliptic orbits is reduced to solution of a boundary value problem for a system of ordinary differential equations. In order to solve the resulting boundary value problem numerically, the numerical homotopic method or modified Newton's method is used. When solving the boundary value problem, the right-hand sides of differential equations of motion are averaged numerically. Efficient software is developed, and a large number of optimal trajectories are calculated using it. As a result of analysis of these numerical data, new high-quality results are obtained. Specifically, a bifurcation of optimal solutions is found, the existence of critical inclination is demonstrated, and a partial classification of the structure of optimal control is performed.     

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.