基于同伦方法的地月系L_2点小推力转移轨道优化

针对地月系下航天器从GEO轨道到L2点的时间最优小推力转移轨道问题,基于庞德里亚金极值原理,推导了限制性三体问题模型下的小推力转移轨道优化问题的最优性一阶必要条件,即推力保持最大值,且方向始终沿主矢量反方向,并将优化问题转换为两点边值问题。通过与同伦方法相结合,解决了间接法求解过程中收敛域小的困难。首先构造了针对推力幅值进行同伦的同伦函数,以大推力幅值的轨道转移问题作为同伦初始问题,然后选取连续同伦中的伪弧长法为同伦曲线跟踪方法,通过迭代求解了不同同伦参数值下的子问题,最终得到原问题下的小推力转移轨道。最后,在数值仿真中得到了不同推力值下的转移轨道,验证了该同伦方法在求解小推力转移轨道中的有效性。     

近地小推力转移轨道的加权组合制导策略

 研究了近地小推力转移轨道的制导问题，给出了一种基于局部最优控制律的自主制导算法。推导出了各改进春分点根数对应的局部最优控制律；通过最优推力分配和目标偏差两个策略，对各局部最优控制律进行动态加权组合，从而有效减少了制导律的设计参数。在此基础上，针对燃料最省转移轨道，定义了一种新的发动机开关函数。采用遗传/逐次二次规划混合优化算法计算了最优制导参数。与传统算法相比，该制导算法是一种闭环制导算法，能够实现飞行器的自主制导，并且制导过程中无需对制导参数进行更新。以地球低轨到高轨的小推力转移为例，采用该方法分别求解了时间和燃料最省转移问题，并与传统算法进行了比较分析。数值结果验证了该算法的有效性。     

求解最优月球软着陆轨道的隐式打靶法

基于间接法思想推导出一种隐式打靶法对月球软着陆轨道优化问题进行了研究。建立月球软着陆轨道归一化系统模型，利用庞特亚金极大值原理将月球软着陆轨道优化问题转化为满足最优必要条件的两点边值问题（TPBVP），采用一种新的时间变量使两点边值问题的终端时刻固定，同时将终端时刻看作状态变量并引入终端时刻的哈密尔顿函数值作为隐式终端条件，提出一种隐式打靶法对含有隐式终端条件的两点边值问题进行迭代求解，从而得出燃料消耗最优的月球软着陆轨道。仿真结果表明，与直接法和混合法相比，隐式打靶法优化精度高，收敛速度快，实现了月球软着陆过程燃料消耗最优。同时应用隐式打靶法求解不同发动机推力值的最优月球软着陆问题，得到燃料消耗最小的最优推重比，可为月面着陆器下降级发动机选型提供参考。     

一种小推力轨迹优化的改进方法

针对小推力轨迹优化这一难点和热点问题,提出了一种在直接法的基础上进一步提高优化结果的改进方法。分析了直接法在离散后存在求解维度较高的不足,借鉴了间接法推导出的最优解必要条件,提出了推力仅取最大值或零的取值改进方法。通过多次优化计算,根据产生速度增量需要的能量来确定推力和追击时间的取值范围,缩减了直接法的求解维度。最后进行了数值仿真,改进方法计算得到的优化指标高于直接法结果,表明该改进方法优于直接法。     

单OSV服务多卫星的转移轨道优化研究

利用混合法解决了有限推力作用下单OSV服务多卫星的转移轨道优化问题.首先从OSV携带燃料的角度出发,初步筛选出在其服务范围内的服务对象,基于双脉冲交会假设,确定了服务序列以及时间节点;其次针对每一段转移轨道,利用Pontryagin极小值原理推导出最优控制律,设定开-关-开的发动机工作方式,将初始协态变量和开关机时间进行参数化处理,采用遗传算法对非线性规划问题进行求解;最后对整条轨道进行拼接优化.仿真结果表明,混合法对协态变量初值猜测敏感性小,降低了搜索最优转移轨道的难度,且控制轨线光滑.     

基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道设计

针对地月空间货运任务和环月轨道空间设施建设任务,提出一种弹道逃逸和小推力捕获相结合的新型地月轨道转移模式,并建立了一整套该类型轨道设计方法。首先,在三体模型假设下分别建立地心弹道逃逸轨道和月心小推力捕获轨道的二维极坐标动力学模型。对于弹道逃逸轨道,将地心旋转系对准角和地月转移加速速度增量作为控制变量,提出初值估计解析公式,并应用序列二次规划算法进行快速求解。对于小推力捕获轨道,以月心距为参考量设置与弹道逃逸轨道的拼接点约束,提出能量匹配方法预估飞行时间,采用最优螺旋轨道的初始伴随状态解析式预估近月点伴随变量初值。基于混合法和轨道逆推思想,采用人工免疫算法进行小推力捕获轨道求解。仿真结果表明,基于弹道逃逸和小推力捕获的地月轨道转移方式大幅降低了近月制动燃料消耗,能快速穿越地球辐射带,且飞行时间适中;同时,提出的轨道设计方法能快速搜索到基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道,验证了该方法的有效性。     

一种基于轨道根数约束的最优制导方法

针对航天器空间变轨的制导问题,研究了一种基于轨道根数约束的最优制导方法。在地心惯性坐标系下直接建立航天器的最优控制模型,给出了位置速度表达式和协态变量初值之间的关系;进一步,在不约束真近点角的前提下,推导了5个轨道根数的约束方程,并通过对轨道根数和最优控制理论中协态方程的特性分析,获得了另外两个约束方程。协态变量初值可直接通过求解7个完整约束方程组获得,进而得到最优推力方向。仿真验证了所提制导方法的有效性。     

地月L2点空间站转移轨道设计与特性分析

针对低运输成本的未来地月L2点Halo轨道空间站补给任务轨道转移问题,研究了基于不变流形和月球借力的间接转移轨道设计方法及轨道参数特性。首先建立了三脉冲从近地停泊轨道出发到Halo轨道的间接转移轨道设计模型;然后提出了二体解析初值搜索和局部梯度优化相结合的串行优化方法,并采用圆型限制性三体问题模型验证了方法的正确性与快速性;最后,通过大量仿真算例分析了间接转移轨道参数特性。结果表明不变流形插入点相位和Halo轨道幅值对间接转移轨道燃料消耗影响较大,而月球借力高度影响则比较小。     

持续推进地球轨道转移的直接优化方法(英文)

对于一大类时间最省(单次推进)和燃料最省(多次推进)的中等推力水平持续推进地球轨道转移问题,本文给出了一种系统的直接优化方法。首先,对于具有倾角和偏心率的目标轨道,我们介绍了一种惯性坐标转换方法得到更具一般性的末端约束条件。这个转换避免了逆行赤道轨道对春分点轨道根数引起的奇异,同时也提高了求解优化问题的收敛性。多次打靶法在本文中也得到了应用,给出了针对不同形式的轨道转移如何分配多次打靶变量的方法。基于惯性坐标转换和多次打靶法,最优控制问题转换为利用非线性规划法求解的参数优化问题。本文给出了单次推进时间最省以及多达12次推进燃料最省的轨道转移仿真结果,所有收敛结果均以简单定义的初值迭代得到。最后,我们讨论了利用模型预测控制进行自主制导的潜在方案。     

变比冲发动机作用下共面燃料最优轨道转移

以国外目前正在研制中的变比冲磁等离子体火箭发动机(VASIMR)为背景,研究了变比冲发动机作用下的同平面燃料最优轨道转移。推力方向角和比冲为控制变量,发动机总功率为常值,发动机可多次开关机。采用经典最优控制理论,运用庞德里亚金最小值原理将问题转化为两点边值问题,并通过非线性规划算法求解,得到了受精确开关函数控制的最优比冲时间历程。给出的VASIMR发动机应用算例结果表明,采用VA-SIMR发动机有益于提高航天器有效载荷所占比例。     

基于解析梯度的微推进转移轨道优化方法

 研究基于离散脉冲策略的行星际微推进转移轨道优化问题,为改善收敛性和计算效率,提出了一种解析的梯度矩阵计算方法。首先,基于离散脉冲思想建立了行星际微推进转移轨道优化模型,通过对速度脉冲矢量进行参数变换,避免了传统优化模型初值猜测和搜索域难以界定的缺点;然后,基于变分原理分析了离散脉冲模型中轨道状态转移矩阵与状态变分之间的关系,并给出了多种轨道特征条件下状态变分的计算方法,该方法可扩展到多次状态不连续情况;在此基础上,推导了离散脉冲轨道优化模型中性能指标与轨道约束对寻优参数梯度矩阵的解析表达式。以地球-火星的燃料最省微推进转移为例对所提解析梯度方法进行了仿真验证。数值结果表明：本文推导的解析梯度矩阵是正确的,与传统数值梯度计算方法相比,解析梯度矩阵可有效改善寻优算法的收敛特性,并能够提高计算效率约47%。     

Earth-moon Trajectory Optimization Using Solar Electric Propulsion

The optimization of the Earth-moon trajectory using solar electric propulsion is presented. A feasible method is proposed to optimize the transfer trajectory starting from a low Earth circular orbit (500 km altitude) to a low lunar circular orbit (200 km altitude). Due to the use of low-thrust solar electric propulsion, the entire transfer trajectory consists of hundreds or even thousands of orbital revolutions around the Earth and the moon. The Earth-orbit ascending (from low Earth orbit to high Earth orbit) and lunar descending (from high lunar orbit to low lunar orbit) trajectories in the presence of J2 perturbations and shadowing effect are computed by an analytic orbital averaging technique. A direct/indirect method is used to optimize the control steering for the trans-lunar trajectory segment, a segment from a high Earth orbit to a high lunar orbit, with a fixed thrust-coast-thrust engine sequence. For the trans-lunar trajectory segment, the equations of motion are expressed in the inertial coordinates about the Earth and the moon using a set of nonsingular equinoctial elements inclusive of the gravitational forces of the sun, the Earth, and the moon. By way of the analytic orbital averaging technique and the direct/indirect method, the Earth-moon transfer problem is converted to a parameter optimization problem, and the entire transfer trajectory is formulated and optimized in the form of a single nonlinear optimization problem with a small number of variables and constraints. Finally, an example of an Earth-moon transfer trajectory using solar electric propulsion is demonstrated.     

Direct Optimization of Low-thrust Many-revolution Earth-orbit Transfers

Low-thrust Earth-orbit transfers with 10^?5-order thrust-to-weight ratios involve a large number of orbital revolutions which poses a real challenge to trajectory optimization. This article develops a direct method to optimize minimum-time low-thrust many-revolution Earth-orbit transfers. A parameterized control law in each orbit, in the form of the true optimal control, is proposed, and the time history of the parameters governing the control law is interpolated through a finite number of nodal values. The orbital averaging method is used to significantly reduce the computational workload and the trajectory optimization is conducted based on the orbital averaging dynamics expressed by nonsingular equinoctial elements. Furthermore, Earth's shadowing and perturbation effects are taken into account. The optimal transfer problem is thus converted to the parameter optimization problem that can be solved by nonlinear programming. Taking advantage of the mapping between the parameterized control law and the Lyapunov control law, a technique is proposed to acquire good initial guesses for optimization variables, which results in enlarged convergence domain of the direct optimization method. Numerical examples of optimal Earth-orbit transfers are presented.     

Fuel-optimal deorbit scheme of space debris using tethered space-tug based on pseudospectral method

This paper proposes a fuel-optimal deorbit scheme for space debris deorbit using tethered space tug. The scheme contains three stages named respectively as dragging, maintenance and swinging. In the first stage, the tug, propelled by continuous thrust, tows deorbit to a transfer orbit with a tether. Then in the second stage, the combination of the tug and the debris flies unpowered and uncontrolled to a swing point on the transfer orbit. Finally, in the third stage, the tug is propelled at the swing point and the rotation speed of the tethered system increases such that the debris obtains enough velocity increment. The trajectory optimization of the first stage is established considering the total fuel consumption of the three stages, whereas the dynamic model is simplified for computation efficiency. The solution to the optimal problem is obtained using a direct method based on Gauss pesudospectral discretization. Then a model predictive controller is designed to track the open-loop optimal reference trajectories, reducing the states’ deviations caused by model simplification and ignorance of perturbations. Furthermore, it is proved that the fuel-optimal swing point is the apogee of the transfer orbit. The paper analyzes the fuel consumption of a typical scenario and demonstrates effectiveness of the proposed deorbit scheme numerically.     

空天飞行器弹道/轨道一体化设计

弹道/轨道一体化设计是解决空天飞行器发射入轨和轨道转移问题的一种全新思路。针对目前存在的空天飞行器弹道/轨道一体化设计问题,通过改进非开普勒轨道方程的方法建立飞行器在连续推力、气动力、引力以及摄动力等多种力作用下的弹道/轨道一体化设计动力学模型;提出基于轨道设计反方法的弹道/轨道一体化设计方法。其创新点主要体现在：通过整合连续推力、气动力、引力以及摄动力等多种作用力达到了统一弹道/轨道模型的目的;提出了基于傅里叶级数形状方法的轨道设计方法,该方法相比于之前的逆多项式法,可以处理带推力约束的轨道设计问题;由于在弹道段采用类似于轨道设计反方法的设计思想设计弹道,使得弹道和轨道两段轨迹的设计方法也达到了统一,致使从模型和设计方法的角度都体现了弹道/轨道设计的统一性,解决了传统分段设计方法是在不同段采用不同的模型和方法,很难体现出一体化设计思想的问题。仿真分析表明本文提出的弹道/轨道一体化设计方法是可行和有效的。     

Optimal robust linearized impulsive rendezvous

The optimization of time-fixed linearized impulsive rendezvous with control uncertainty is investigated. One performance index related to the variances of the terminal state error is defined as the performance index of robustness which is calculated by linear covariance method. The two-objective optimization problem of minimizing the total characteristic velocity and the performance index of robustness is formulated based on the Clohessy–Wiltshire (C-W) system and solved by the nondominated sorting genetic algorithm. The Pareto-optimal solution sets of one homing rendezvous mission are provided and the Pareto optimality is verified by comparing with the fuel-optimal and the robustness-optimal solutions. It is shown that the proposed approach can quickly investigate the relation between the fuel cost and the trajectory robustness, besides evaluate different rendezvous maneuver schemes.     

Real-time trajectory optimization for powered planetary landings based on analytical shooting equations

Traditionally, numerical trajectory integration for shooting equation calculation and iterations for shooting with randomly guessed initial solutions deteriorate the real-time performance of indirect methods for on-board applications. In this study, the indirect method is improved to achieve real-time trajectory optimization of fuel-optimal powered planetary landings with the help of analytical shooting equation derivations and a practical homotopy technique. Specifically, the contributions of t...     

卫星编队队形保持非线性燃料次优控制

针对卫星编队飞行队形保持推导了一种利用相对轨道根数为反馈量的非线性燃料次优控制算法。该控制算法基于高斯型摄动方程采用Lyapunov控制,控制增益是时变的以便控制某轨道根数时对其余的轨道根数影响最小。这种控制算法接近于燃料最优,且可以调整增益系数来适应推力大小的不同情况。仿真结果表明,该控制方法是有效的,且相比其他的控制算法能够节省更多的燃料。