大范围收敛的摄动Lambert问题新型解法:拟线性化-局部变分迭代法

研究实时、高效、稳定性强的高性能空间轨道计算方法对于中国未来航天工程具有重大应用价值。针对强非线性系统的多维两点边值问题,提出了一种拟线性化-局部变分迭代法（QL-LVIM）,通过拟线性化（QL）思想,将非线性两点边值问题转化为一系列具有一定迭代格式,并且成对出现的初值问题,进而通过局部变分迭代法（LVIM）对其进行求解。利用拟线性化的大范围收敛特性和局部变分迭代法的快收敛、高精度特性,该方法能够在较大的时间和空间尺度下快速精确获得摄动Lambert问题的初速度和转移轨道,其收敛域远大于传统的牛顿打靶法,为航天器轨道转移提供了一种简便高效、稳定性强的新型计算方法。在不同轨道情形下,与几类参考方法对比,结果表明本方法能够在计算效率方面实现大幅提升,并且能够在大范围内实现快速收敛。方法的有效性在地-月系三体问题中得到了进一步验证。     

基于三分图的非共面卫星分布式加注任务规划

分布式加注规划的目的在于规划加注过程的交会路径,使任务在满足约束的情况下整体燃料消耗最优。针对异面圆轨道卫星间的分布式加注策略,建立了分布式加注任务规划问题的数学模型,把该规划问题归结为非完全赋权三分图的匹配问题,并将整体最少燃料消耗作为规划目标。其次,进行了算法的流程设计,采用了Kuhn-Mundres图论算法和整数遗传算法相结合的LSGA算法加快了收敛的速度保证了全局最优。最后,选取了两个具有小角度轨道偏差的异面卫星星座对该问题进行分析。计算得到了优化后的双冲量机动下加注任务的服务关系与燃料代价,规划算法的有效性也得到了验证。     

UKF参数估计在三体Lambert问题中的应用

为了快速精确地求解三体Lambert问题,提出了一种新的基于无损卡尔曼滤波(UKF)参数估计的数值求解算法,该算法由初值猜测和精确解求解两部分组成.首先,基于地月系统二体模型,通过简单迭代求解三体Lambert问题的初值.然后,将三体Lambert问题对应的两点边值问题转化为参数估计问题,通过UKF滤波算法求解,可得到收敛的精确解.该算法是基于概率估计理论的,不仅避免了传统数值方法推导相关梯度矩阵的复杂性,而且降低了三体Lambert问题对初值精确度的要求,从而显著降低了三体Lambert问题求解的难度.数值仿真表明,该方法求解效率较高,具有良好的鲁棒性,与微分修正算法、二阶微分修正算法对比具有更大的收敛域.      

地月系统循环轨道初步设计与特性分析

基于平面圆型限制性三体问题(CR3BP)模型,根据轨道弧以及顺行和逆行特征采用圆锥曲线拼接法设计了5类地月系统周期轨道。以地月系统循环轨道的工程约束为出发点,从轨道周期、近地点高度、近月点高度、交会对接速度、轨道稳定性等方面分析了这5类周期轨道的特性,从中选择了适合地月系统循环轨道任务方案的周期轨道,并对周期轨道进行了优化。该研究为我国未来载人登月工程提供了一种新的思路与理论技术支持。     

基于多冲量能耗估算的小推力任务窗口搜索

针对小推力轨道设计中任务窗口参数具有范围跨度大、非连续性强、对设计结果影响显著等特点,提出了一种基于多冲量能耗估算的任务窗口搜索方法.该方法基于多冲量轨道和小推力轨道的能耗一致性,先由朗伯特两冲量轨道经过数次迭代扩展快速获得多冲量轨道,再通过多冲量轨道能耗估算对任务区间进行全局栅格搜索,最终得到任务窗口的可行区域.仿真结果表明:1)该方法同时适用于交会和飞越任务;2)同朗伯特两冲量相比,它与小推力轨道能耗的一致性更强;3)同Sims和Flanagan最优多冲量相比,计算时间缩短了1～2个量级,计算效率显著提高.地球—火星交会任务的仿真应用表明,该方法只需8.59s即可获得任务窗口的可行区域,进而快速给出小推力最优转移轨道,验证了该方法的有效性.     

空间交会中多圈Lambert问题的算法改进与实现

针对目前多圈Lambert问题多种算法的不足之处,如精确性不高和难以编程实现等,利用问题解集的分布特点改进算法,编写可直接调用的Matlab程序,为多圈Lambert转移的拓展提供必要条件.以空间交会两动点间的轨道转移为例,建立二层优化的数学模型,并提出结合智能算法的解题思路.通过应用算例验证了程序的正确性和有效性.     

月球返回舱跳跃再入弹道特性分析与优化设计

对月球返回舱跳跃再入大气层的初始再入段弹道特性与过载约束下轨迹优化问题进行了分析。首先介绍了跳跃再入的基本概念与优点,对不同再入角、不同升阻比情况下初始再入段的弹道特性进行了分析。然后采用庞特里亚金极大值原理以总吸热量最小为优化目标,对过载约束下再入轨道的初始再入段进行了优化设计,给出了升力系数的最优表达式。仿真研究表明,该方法能有效地降低飞行过程中的过载。     

Low-thrust transfer to Backflip orbits

The aim of the work is to design a low-thrust transfer from a Low Earth Orbit to a “useful” periodic orbit in the Earth–Moon Circular Restricted Three Body Model (CR3BP). A useful periodic orbit is here intended as one that moves both in the Earth–Moon plane and out of this plane without any requirements of propellant mass. This is achieved by exploiting a particular class of periodic orbits named Backflip orbits, enabled by the CR3BP. The unique characteristics of this class of periodic solutions allow the design of an almost planar transfer from a geocentric orbit and the use of the Backflip intrinsic characteristics to explore the geospace out of the Earth–Moon plane. The main advantage of this approach is that periodic plane changes can be obtained by performing an almost planar transfer. In order to save propellant mass, so as to increase the scientific payload of the mission, a low-powered transfer is considered. This foresees a thrusting phase to gain energy from a departing circular geocentric orbit and a second thrusting phase to match the state of the target Backflip orbit, separated by an intermediate ballistic phase. This results in a combined application of a low-thrust manoeuvre and of a periodical solution in the CR3BP to realize a new class of missions to explore the Earth–Moon neighbourhoods in a quite inexpensive way. In addition, a low-thrust transit between two different Backflip orbits is analyzed and considered as a possible extension of the proposed mission. Thus, also a Backflip-to-Backflip transfer is addressed where a low-powered probe is able to experience periodic excursions above and below the Earth–Moon plane only performing almost planar and very short transfers.     

地面等待模型中的旅客延误时间成本分析与仿真

针对多机场地面等待问题MAGHP(Multi Airport Ground Holding Problem),深入研究了影响旅客延误时间的因素,并将其应用于数学模型中目标函数的计算。将航班延误时间转化为旅客延误时间,提出了一个在航班取消情况下减少旅客延误的新方法,并与多机场地面等待模型进行了比较,仿真结果表明,可以大幅度减少旅客延误时间。     

严格随机正则(3,s)-SAT模型及其相变现象

研究变元和文字出现次数受限制的规则3-SAT问题,提出了一种严格随机正则（3,s）-SAT问题,并给出了该问题的实例产生模型--SRR模型。结合一阶矩方法和生成函数展开项系数的渐近近似技术,证明了严格随机正则（3,s）-SAT问题相变点的上界,即当变元规模N较大且变元出现次数s>11时,严格随机正则（3,s）-SAT实例是高概率不可满足的。实验结果表明：由SRR模型所生成的随机实例中,当N>60且s>11时,所有的（3,s）-SAT实例均是不可满足的,而当N>150且s<11时,所有的（3,s）-SAT实例均是可满足的,即严格随机正则（3,s）-SAT实例的相变点位于s=11处,且在s=11处（子句变元比为11/3）的严格随机正则（3,s）-SAT实例,比在相变点（子句变元比）4.267处同规模的均匀随机3-SAT实例更难求解,因此,SRR模型可以很方便地在s=11处构造难解的随机3-SAT实例。