基于伪谱法的小天体最优下降轨迹优化方法

针对小天体着陆探测下降阶段的多约束轨迹优化问题,基于Gauss伪谱法进行了燃耗最优下降轨迹优化设计,得出了燃耗最优下降轨迹。建立了小天体下降轨迹优化问题的最优控制问题模型,采用Gauss伪谱法进行离散化,转化为非线性规划问题进行了求解。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Gauss伪谱法进行小天体最优下降轨迹优化,计算速度快,求解精度高。     

基于高斯伪谱法的火星表面上升燃耗最优轨迹设计

火星上升器的设计与其轨迹设计紧密相关,而现有方法大都将MAV(Mars Ascent Vehicle)的分级优化和轨迹优化解耦计算,其计算效率低且鲁棒性较差。提出了一种基于高斯伪谱法的两级MAV分级与轨迹耦合多阶段优化算法,它以MAV的发射总质量最小为目标函数,并考虑了MAV设计约束、MAV的质量模型约束、轨迹的路径约束和控制约束等限制条件。利用该方法可以同时求得发射总质量最小的两级MAV分级参数和一条燃耗最优的上升轨迹,解决了由于不合理的两级MAV分级设计导致的轨迹优化算法无法收敛的问题。数值仿真结果表明该方法具有较快的收敛速度,且对初值选取的敏感度较小、具有较强的鲁棒性。     

再入动力学的性质及其在轨迹优化中的应用

考虑具有终端约束和过程约束的探月返回飞行器再入轨迹设计问题,通过将性能指标泛函定义为再入终端位置误差的平方和,再入轨迹设计问题转化为具有过程约束和状态方程约束的优化问题.首先仅考虑状态方程约束,利用最大值原理,得到该优化问题的必要条件,选取间接法中的共轭梯度算法求解最优控制量.进而针对轨迹约束问题,研究了再入过载和轨道飞行段飞行距离与航迹角以及倾侧角的关系,在此基础上,提出了采用调整初始倾侧角序列的方法实现过程约束.该算法克服了罚函数方法中需要调节参数较多的问题,并且物理意义明确,实现简单.最后,给出了Apollo再入轨迹优化的数值仿真算例,验证了所给出算法的有效性.     

非一致终端约束下火星大气进入段制导律设计

针对小升阻比的火星探测器在火星大气进入过程中所面临的难点问题,对火星大气进入过程制导方法进行了研究。首先在确知探测器弹道系数和升阻比的前提下,考虑过程量及开伞条件约束,优化设计再入飞行的初始再入角。然后考虑非一致终端约束和飞行器的有限机动能力,设计参考轨迹剖面,并确保其能提供足够的裕度来应付各种参数不确定性。最后设计标准轨道法制导律,完成轨迹有效跟踪,并通过六自由度仿真验证了算法的合理性,为火星着陆项目中大气进入段制导方案设计提供参考。     

基于高斯伪谱法的空天飞机上升段最优轨迹设计

针对复杂多约束条件下空天飞机上升段燃料最优轨迹优化问题,提出一种基于高斯伪谱法的上升段轨迹优化策略.依据发动机的推力特性将上升轨迹合理分段,使原最优控制问题转化为多段最优控制问题后,采用高斯伪谱法进行并行优化计算.数值仿真结果表明采用这种轨迹优化策略能够满足组合动力系统工作模态转换时对飞行状态的约束条件,可以在较短的时间内完成高精度的上升段轨迹优化任务,从而验证了该方法的有效性.     

基于混合执行机构的敏捷卫星姿态机动控制

单框架控制力矩陀螺(SGCMGs,single gimbal control moment gyros)的奇异问题是其在使用过程中面临的主要问题.将构型奇异度量作为路径约束,采用高斯伪谱法进行轨迹优化,得到一组无奇异框架角,并以相应的SGCMGs框架转速作为开环指令进行控制.考虑初始姿态偏差及外干扰不确定因素的影响故引入反作用动量轮(RWs,reaction wheels),并基于Lyapunov稳定性设计了RWs的控制律进行闭环修正.仿真结果表明,采用混合执行机构能够保证卫星在外干扰等因素影响下,以最优轨迹的SGCMGs无奇异框架转速指令实现对最优轨迹的跟踪.     

一种月球表面飞跃转移轨迹设计方法

针对飞跃器在月球表面飞跃转移轨迹设计问题，提出了基于凸优化方法的整个飞跃过程燃料最优轨迹设计方法。与经典凸优化方法对轨迹分段求解后再拼接得到全轨迹设计的方法不同，在假设垂直上升、着陆时间固定条件下，根据实际工程需要对轨迹进行了分段设计约束，利用黄金分割法搜索上升着陆时间，通过将原问题转化为求解一个二阶锥问题得到了全飞行过程燃料最优轨迹，解决了经典方法中分段最优但全任务过程非最优的问题。仿真结果表明，在同样满足分段约束情况下，分段凸优化方法采用不同垂直起降速度约束时燃耗分别为25.7207kg和 25.3903kg，而全程凸优化方法的燃料消耗为24.9682kg，优于分段凸优化的结果。     

月面上升的轨迹优化与参数分析

面向月球采样返回任务分析需求,对月面上升段的轨迹优化及燃料消耗影响因素进行了研究。基于上升器运动模型,建立以燃料消耗最优为目标考虑入轨约束的轨迹优化模型,通过Gauss伪谱法和序列二次规划求解上升过程最优推力方向。改变运动模型中的初始推重比、入轨约束中的目标轨道参数,根据轨迹优化结果得到对应的燃料消耗,分析了这些因素对上升器燃料消耗的影响。针对上升器非共面起飞的问题,提出了上升偏航、升交点调整、倾角调整3种方案,从燃料消耗的角度分析了各方案的适用情况,为未来工程应用提供参考。     

基于自适应伪谱法的高超声速飞行器再入轨迹优化

针对高超声速飞行器再入轨迹优化问题,建立考虑地球自转的三自由度再入运动方程,以美国通用空天飞行器为对象建立再入约束模型。采用Legendre-Gauss-Radau配点对3种典型优化问题:最大纵程、最大横程及最小航迹角变化率问题进行离散,将连续时间最优控制问题转化为非线性规划问题。基于Legendre多项式近似理论,引入衰减系数构建相对误差估计关系式,并以此提出一种有效的自适应网格重构策略。最终获得了3种典型再入轨迹优化问题的最优解。仿真结果表明,该算法的求解结果与变步长Runge-Kutta-Fehlberg法积分一致。相比传统自适应伪谱法,其配点和区间分配更合理,迭代次数少,求解速度高,且对人工参数不敏感。      

基于粒子群算法的电帆轨迹优化设计

电帆是一种利用太阳风动量的新颖的无工质空间推进系统,文章研究了以电帆为对象的行星际转移轨迹优化问题。以地球轨道转移到火星、金星轨道为任务对象,采用连续推力模型,研究极坐标系下最小时间转移轨迹优化设计问题。提出了两种基于粒子群算法(PSO)的直接优化方法,避免对协态变量初值敏感的两点边值问题（TPBVP）求解。方法一是通过打靶法直接离散化控制量输入,将最优控制问题转化为非线性规划参数优化问题,采用PSO算法寻优,获得近似最优的转移轨迹。方法二是针对任何连续控制律曲线都能以一定精度的多项式函数进行曲线拟合的特性,设计逼近最优转移轨迹控制律的多项式函数,通过PSO算法优化多项式函数参数获得逼近最优解的转移轨迹。仿真结果表明采用上述两种方法进行转移轨迹优化设计,具有随机猜测初值、全局收敛、鲁棒性强的特点。     

微小型无人直升机避障最优轨迹规划

针对无人直升机在低空复杂环境下避障飞行问题,提出了一种基于非线性最优控制理论的求解策略.以避障机动飞行时间为优化目标,无人直升机六自由度非线性动力学方程为等式约束,直升机飞行性能限制以及三维空间中障碍物限制等因素为不等式约束,建立了避障机动飞行的最优控制模型.然后利用高斯伪谱法（GPM,Gauss Pseudospectral Method）将轨迹规划问题转化为非线性规划（NLP,Non-Linear Programming）问题,并采用序列二次规划算法进行求解.在此基础上研究了障碍物尺寸对最优轨迹的影响.计算结果表明,该方法能够以较高的精度生成真实可行的避障飞行轨迹,最优机动动作取决于障碍物纵横向尺寸比.      

Rapid design and optimization of low-thrust rendezvous/interception trajectory for asteroid deflection missions

Asteroid deflection techniques are essential in order to protect the Earth from catastrophic impacts by hazardous asteroids. Rapid design and optimization of low-thrust rendezvous/interception trajectories is considered as one of the key technologies to successfully deflect potentially hazardous asteroids. In this paper, we address a general framework for the rapid design and optimization of low-thrust rendezvous/interception trajectories for future asteroid deflection missions. The design and optimization process includes three closely associated steps. Firstly, shape-based approaches and genetic algorithm (GA) are adopted to perform preliminary design, which provides a reasonable initial guess for subsequent accurate optimization. Secondly, Radau pseudospectral method is utilized to transcribe the low-thrust trajectory optimization problem into a discrete nonlinear programming (NLP) problem. Finally, sequential quadratic programming (SQP) is used to efficiently solve the nonlinear programming problem and obtain the optimal low-thrust rendezvous/interception trajectories. The rapid design and optimization algorithms developed in this paper are validated by three simulation cases with different performance indexes and boundary constraints.     

再入飞行器标称攻角优化设计

再入飞行器的标称攻角在弹道规划以及飞行器覆盖能力分析中起到重要作用,由于再入飞行中气动加热严重,过载和动压约束严格,给标称攻角的设计带来很大困难.针对弹道射面内最大纵程和最小总热载荷问题,在考虑热流、动压和过载约束下分别进行标称飞行攻角的优化设计.首先将过程约束转化为对控制量攻角的约束,将需要优化的标称攻角通过分段线性函数参数化,把最优控制问题转化为4个参数的寻优问题,然后利用遗传算法获得参数的初始猜想,并设计序列二次规划(SQP,Sequential Quadratic Programming)算法求解.仿真结果显示该方法能够快速获取再入标称飞行攻角,为再入轨迹优化和制导总体设计提供参考.     

Reliability-based trajectory optimization using nonintrusive polynomial chaos for Mars entry mission

This paper presents the reliability-based sequential optimization (RBSO) method to settle the trajectory optimization problem with parametric uncertainties in entry dynamics for Mars entry mission. First, the deterministic entry trajectory optimization model is reviewed, and then the reliability-based optimization model is formulated. In addition, the modified sequential optimization method, in which the nonintrusive polynomial chaos expansion (PCE) method and the most probable point (MPP) searching method are employed, is proposed to solve the reliability-based optimization problem efficiently. The nonintrusive PCE method contributes to the transformation between the stochastic optimization (SO) and the deterministic optimization (DO) and to the approximation of trajectory solution efficiently. The MPP method, which is used for assessing the reliability of constraints satisfaction only up to the necessary level, is employed to further improve the computational efficiency. The cycle including SO, reliability assessment and constraints update is repeated in the RBSO until the reliability requirements of constraints satisfaction are satisfied. Finally, the RBSO is compared with the traditional DO and the traditional sequential optimization based on Monte Carlo (MC) simulation in a specific Mars entry mission to demonstrate the effectiveness and the efficiency of the proposed method.     

Optimal spacecraft rendezvous using the combination of aerodynamic force and Lorentz force

This paper presents a propellantless spacecraft rendezvous method by using the optimal combination of aerodynamic force and Lorentz force. Aerodynamic force is provided by the rotations of the plates attached to the spacecraft, and Lorentz force is achieved by modulating spacecraft's electrostatic charge. Considering the limitation of the charging level of the spacecraft and physical constraints of the plates system, an optimal open-loop rendezvous trajectory is designed, which aims to minimize the energy consumed to actuate the hybrid system. The rotation rates of the plates and the electrostatic charge are constrained in the optimization problem, which is solved via the Gauss pseudospectral method. To track the open-loop trajectory in the presence of external perturbations, a novel adaptive nonsingular terminal sliding mode controller is designed. The stability of the closed-loop system is proved by the Lyapunov-based method. Several numerical examples are conducted to verify the validity of both the open-loop and closed-loop control strategy.     

防空导弹最优弹道的协态估计优化算法

为了快速精确地得到防空导弹中段最优弹道,在拟勒让德谱变换法的基础上提出了协态估计优化算法.该算法克服了采用拟勒让德谱变换法所得非线性规划NLP(Non-Linear Programming)问题优化变量过多、收敛速度慢的缺点,并能在避免求解两点边值问题TPBVP(Two Point Boundary Value Problem)的前提下,快速解得近似满足最优解必要条件的解.针对防空导弹中段弹道优化问题的特点,应用提出的协态估计优化算法进行优化得到结果,与拟勒让德谱变换法所得结果相比,表明该算法具有收敛速度快,优化精度高的优点.