月球和火星探测任务捕获制动控制技术方案对比

地外天体捕获制动过程是实现载人月球、火星等深空天体探测任务的关键步骤之一,捕获制动控制误差影响极大,捕获效果直接决定着整个任务的成败。对国内外月球和火星天体捕获制动过程的控制技术进行了调研,对捕获制动策略进行了分析和对比,为我国相关探测任务的捕获制动控制系统的设计提供参考。     

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。     

直接优化算法在快速交会组合变轨策略中的应用

快速交会远程导引段轨道机动过程中,交会时间受限、考虑测控约束的最小燃料消耗脉冲交会属于多变量优化问题,需要建立一种混合的优化算法对问题求解。建立了基于Lambert双脉冲的多脉冲快速变轨策略模型,给出一种三步串行的混合智能优化算法对模型进行求解。首先利用粒子群算法搜到全局最优解的近似解;然后以全局最优解的近似解作为二体模型的初解,用序列二次规划算法对全局最优解的近似解进行局部优化,所得解为精度较高的精确解;最后以二体模型下所得的解为初值,用最小二乘法解非线性摄动约束的快速交会问题。使用三步串行的混合优化算法对基于轨道要素的变轨策略进行仿真验证与分析。仿真结果表明,该算法能够规划出椭圆轨道到圆轨道共面、两椭圆轨道异面以及考虑测控约束情况下的快速交会轨道机动策略。     

基于多子人口群协作进化的拦截轨道优化

针对基本遗传算法对航天器拦截轨道数值优化计算效率较低的问题,提出了一种新的基于多子人口群协作进化的算法。使用子人口划分技术提高了人口多样性防止早熟,用免疫算子减小搜索空间,两者都加速了进化计算过程。应用此算法求解了具有推力约束和拦截时间约束使燃料消耗量最小的航天器拦截轨道,并分析了其与基本遗传算法的不同。通过航天器拦截轨道仿真表明,该算法优于基本遗传算法,可用较少的计算时间得到全局最佳解,提高了航天器拦截轨道优化的计算效率。     

月球软着陆制动段飞行轨迹与制导律研究

对自环月轨道开始的月球软着陆制动段飞行轨迹和制导律进行了研究。建立了统一的均匀球体三维软着陆模型,采用燃料次优解析制导方法,通过单步优化获得了局部最优的推力角解析式。同时,在推力角中引入前馈项,用于消除初始位置和速度偏差对软着陆的影响。对制动段飞行轨迹的仿真分析验证了制导律设计的有效性。     

奔月之路

要使绕月探测卫星进入月球轨道,其速度应该达到多少呢?有人可能认为应达到11.2千米/秒的第二宇宙速度,实际上只要使初始速度大于10.6千米/秒(近地点600千米),绕月探测卫星就可飞向月球。这是由于月球本身处在地球引力范围内,当绕月探测卫星的飞行轨道在离月球6.6万千米之外时,主要受地球引力作用,是相对地球的椭圆轨道;在离月球6.6万千米之内以后,主要受月球引力作用,是相对于月球的双曲线轨道。     

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。     

定常幅值小推力登月飞行器轨道研究

 进行了基于平面三体模型的登月飞行器轨道控制方法的研究;研究了从近地低轨道到近月低轨道的飞行轨道;给出了在地球逃逸段、惯性漂移段和月球捕获段的运动轨迹和关键点的参数。提出使用“远地点可达”概念完成了地球逃逸段发动机推力终点的选择和使用飞行器相对月心能量完成了在月球捕获段止推发动机工作初始点的选择。     

月球卫星精密定轨

随着空间应用需求的日益增大,深空探测已成为现实,而月球显然是人类走向深空的首选目标。发射月球探测器通常分3个阶段,其运动状态分别对应3种不同类型的轨道:近地停泊轨道、地月转移轨道和绕月轨道。月球是1个慢自转天体且无大气,就轨道解而言这些因素导致环月卫星的运动与地球卫星有所差别。本文针对月球探测任务的特点,从月球与地球的差别入手,在仔细分析月球卫星的受力状况前提下,着重阐述月球探测器在环月段精密定轨的方法原理和具体实现过程。     

小推力航天器的地月低能转移轨道

 在限制性四体模型下研究基于小推力方式的地月低能转移问题,通过借助于平动点轨道的相空间结构来揭示小推力转移的机理。重点研究了小推力转移自由飞行段的构造：经由LL₁点穿越获得最小能量的低能转移;而经由LL₁点Halo轨道穿越,得到(M,N)圈穿越轨道;由于Halo轨道相对于平动点增加了一维度的选择,根据(2,2)圈穿越轨道构造该转移的自由飞行段。在地球势阱逃逸和月球势阱捕获段,分别设计了合适的小推力的控制律及发动机开/关机时间,成功实施近地球段的小推力加速和近月球段的减速。尽管未对所得到的结果进行优化,所得转移轨道的燃料消耗也与类似边界条件的SMART-1轨道基本一致。     

基于改进鸽群算法的气动捕获轨道优化

针对火星探测器的气动捕获轨道，提出了一种改进的鸽群算法对气动捕获轨道进行优化。首先，考虑成功进行气动捕获所要求的终端约束和过程约束，根据从捕获轨道进行轨道转移进入目标轨道所需的速度增量，提出了进行捕获轨道优化的最优性能指标。然后，针对原始鸽群算法存在的一些不足，提出一种改进算法，并对改进算法的参数取值进行了分析。最后，基于大气内飞行的动力学方程，将气动捕获轨道优化问题转化为多参数优化问题，利用所提出的改进鸽群算法对气动捕获轨道进行优化，并通过仿真实例验证该算法的有效性。     

嫦娥探测器轨道测定中的科学与技术问题

嫦娥探测器轨道测定技术既是成功完成工程任务的基础,也对月球科学研究起着重要作用。嫦娥探测器的轨道测定与地球航天器的轨道测定有诸多不同之处,本文介绍了绕月球探测与绕地球探测在测定轨技术方面的差异,并介绍了基于"嫦娥一号"、"嫦娥二号"月球探测器建立月面地形以及月球重力场模型的研究进展,最后分析了"嫦娥二号"平动点飞行试验以及小行星探测试验的测定轨能力。这些技术不仅在月球探测工程中起到关键作用,对我国后续深空探测也有很好的借鉴意义。     

嫦娥五号月球轨道交会导引策略设计

嫦娥五号任务实现了国际首次月球无人轨道交会对接，本文详细介绍了其最终飞控实施所采用的交会导引策略的设计模型、方法和工程实现考虑。讨论了嫦娥五号月球轨道交会任务的工程设计约束和关键参数的确定，提出了一种月球轨道交会的交班点确定方法。提出了一种新的四脉冲交会策略，通过引入径向变轨控制量，固定各次变轨点位置，解决了在月球背面测控遮挡约束下确保各次变轨全过程测控可见的工程难题。针对新四脉冲方案，采用近圆轨道偏差方程提出了一种新的初值求解方法，构造了基于微分修正的精确数值求解算法，并推导了求解所需的状态转移矩阵的解析表达形式。建立了测控约束下的交会导引约束优化模型，获得了测控约束下的最优能量解，并揭示了问题的全局特性规律。给出了所提出方法在嫦娥五号实际任务中的应用，验证了此方法的正确性。     

资源约束项目调度问题的粒子群优化算法求解

介绍了应用粒子群优化算法求解资源约束项目调度问题的实现方法。建立了资源约束项目调度问题的数学模型,提出了确定资源约束项目调度问题解空间的办法。采用不同的策略处理前后约束和资源约束。编制了粒子群优化通用程序并对典型项目实例进行了优化,优化结果验证粒子群优化算法求解资源约束项目调度问题的有效性。     

行业消息

10月24日18时05分,中国"嫦娥一号"月球探测器在西昌卫星发射中心通过"长征三号"甲火箭发射升空,标志着中国成为了第五个成功发射月球探测器的国家。在发射后两周内,"嫦娥一号"探测器在调相轨道上进行了一次远地点变轨和三次近地点变轨,以进入地月转移轨道。到达月球引力范围后,探测器进行了三次近月制动,最终与11月7日进入距离月球表面200千米的绕     

行星际小推力轨道Lambert解及应用

 为提高行星际小推力转移轨道初始设计精度,提出了基于N次逆多项式逼近的半解析Lambert算法,并基于该算法发展了一种转移轨道初始设计方法。首先,采用N次逆多项式近似小推力轨道形状,应用推力方向假设和位置速度边界条件推导出部分系数及推力大小解析式。接着,分析了飞行时间约束和轨道动力学约束下解的存在性,并给出了关键系数的可行域。然后,利用探测器质量消耗方程建立了Lambert问题求解模型并加以解决。最后,基于所提Lambert算法,通过对连续推力约束进行降维,提出一种求解多圈非固定时间的行星际小推力转移轨道初始设计方法。分别以固定和非固定时间转移任务为例对所提Lambert算法和初始轨道设计方法进行了数学仿真,数值结果表明：相比传统6阶方法,所提Lambert算法在目标轨道半长轴为5 AU时可减少速度增量需求36.63%;所提初始设计方法与最优化方法设计结果接近,可为转移轨道的精确设计提供可行的设计初值。     

载人月球探测轨道设计的挑战与技术发展趋势

轨道设计是载人月球探测工程中的一个重要问题,直接影响工程实施的效果、甚至成败。本文概述了载人月球探测工程中涉及的飞行轨道,指出了轨道设计所面临的三方面挑战,即飞行轨道方案、轨道设计效率、任务全局最优化的挑战;简要介绍了国内外载人月球探测轨道设计的研究进展;提出了当前载人月球探测轨道设计需要重点突破的几个关键技术问题,包括一体化轨道设计与优化、应急任务轨道设计、地月空间任务高鲁棒性轨道设计、月球轨道空间站的轨道设计和地月空间轨道通用设计软件等问题。     

基于hp自适应伪谱法的可调推力最优离轨研究

根据不同最优化指标要求,利用hp自适应伪谱法,对比分析了固定推力和可调推力制动离轨时的参数变化情况。通过研究发现,以燃料最省为优化指标,采用可调推力制动时,飞行器过渡段飞行时间更长,燃料消耗相对较小;而在时间最短指标要求下,可调推力制动虽消耗大量燃料,但能大大缩短过渡段飞行时间,有利于航天器在执行紧急任务时的快速返回。     

基于hp自适应伪谱法的可调推力最优离轨研究

根据不同最优化指标要求,利用hp自适应伪谱法,对比分析了固定推力和可调推力制动离轨时的参数变化情况.通过研究发现,以燃料最省为优化指标,采用可调推力制动时,飞行器过渡段飞行时间更长,燃料消耗相对较小;而在时间最短指标要求下,可调推力制动虽消耗大量燃料,但能大大缩短过渡段飞行时间,有利于航天器在执行紧急任务时的快速返回.     

基于微分进化算法的深空小推力轨道优化设计

针对多目标多任务的深空探测轨道优化设计问题,基于以太阳为主引力体的二体模型,采用电推进小推力系统,提出了将目标行星的探测方式、探测顺序、发射窗口同时进行全局优化的解决方案.依此建立小推力轨道优化设计算法模型,利用微分进化算法进行全局一体化优化设计,得出多目标多任务的一体化深空探测轨道.通过与相同条件下其他设计方法的结果比对分析得出：基于小推力推进方式并采用微分进化算法进行优化的轨道优化设计方案,在多目标多任务深空轨道一体化设计问题上具有可行性及应用价值.