基于序优化理论的三脉冲交会燃科寻优

多数交会燃料寻优是基于"线性化相对运动方程(即Hill方程)"求解"最优"燃料消耗的框架进行的,当相对距离较远时,这种方法精度很低,优化得到的控制量无法满足终端精度要求.以寻的段三脉冲燃料优化为例.以搜索的方法进行控制参数寻优,此时搜索空间较大;通过引入"序优化"思想,有效缩小搜索空间,提高搜索效率,求解得到"足够好"的燃料消耗,并给出适合工程实现的燃料优化步骤.仿真结果表明由此得到的控制参数可以满足终端精度要求,且计算量很小.     

基于计算博弈的脉冲作用下航天器追逃策略

本文研究了地球高阶引力模型中,基于脉冲作用的航天器轨道追逃问题。针对该问题,将航天器轨道追逃问题定义为两选手计算博弈,其中以博弈双方的距离和燃料消耗设计了性能指标函数,并以速度增量大小和方向构建容许控制集。此外,为了保证纳什均衡解的求解效率,引入了快速搜索(ARS)算法,并设计了一种数据剪枝方法用于优化搜索空间,最终实现了基于计算博弈的控制策略的快速求解。仿真结果表明:该方法能够有效解决脉冲作用下航天器的追逃难题,与传统方法相比,该方法能同时满足脱靶量精度和燃料消耗要求,具有一定的可行性和有效性。     

航天器交会寻的段三冲量制导方法及误差分析

提出一种航天器空间交会寻的段的三冲量制导方案.以节省燃料和提高末制导精度为目标,设计出基于Hill方程寻优和轨道预报实时优化的双重优化方法,对无初始误差及测量误差情况下的寻的制导效果进行仿真分析,并且对存在初始误差与测量误差时的寻的制导进行模拟打靶试验.仿真结果表明此方法在保证终端精度的同时能较好地节省燃料,并且对于误差影响具有鲁棒性,计算量较小,具有工程可实现性.     

航天器多脉冲悬停控制的非线性方法

为解决连续推力空间悬停控制技术对航天器控制推进系统要求较高、工程上难于实现的问题,提出基于Clohessy-Wiltshire方程的多脉冲悬停控制方法。以轨道要素外推的飞行状态非线性预测方法和脉冲悬停控制量优化算法,对悬停脉冲进行了优化,可以实现主动航天器在目标航天器附近任意点的近似稳定悬停。给出的多脉冲悬停控制方法及控制量非线性优化算法考虑了地球非球形引力摄动J2项影响,补偿了Clohessy-Wiltshire方程的线性化误差,能有效提高悬停精度。仿真结果表明,多脉冲悬停控制方法的燃料消耗与连续推力悬停方法相比没有明显增加,不会对主动航天器带来过大的燃料消耗压力。     

基于伪光谱方法的有限推力轨道转移优化设计

研究了伪光谱方法在空间飞行器有限推力轨道转移最优化问题中的应用。首先给出了空间飞行器轨道转移最优化控制问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为轨道转移过程中燃料消耗最小,控制变量为推力攻角。终端状态受到航迹角、高度和速度的约束。然后,应用伪光谱方法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,即将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用基于Matlab语言的SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解,该软件包对于求解大型非线性规划问题具有很好的收敛性。仿真结果表明伪光谱方法对于空间飞行器转移轨道初始参数取值不敏感,具有一定的鲁棒性,生成的轨道能够较好地满足各种约束条件。因此,伪光谱方法对于空间飞行器有限推力轨道转移问题的求解是可行的。     

一种基于EPSO的航天器交会轨迹优化方法

研究了航天器在固定时间内燃料最省的多脉冲交会问题,提出了一种基于种群熵粒子群优化 (Population Entropy based Particle Swarm Optimization,EPSO)算法的交会轨迹优化设计方法。采用线性化C\|W方程描述航天器的相对运动,以能耗最优为控制目标,得到了基于连续推力的最优转移轨迹,用于确定脉冲点的位置。考虑工程实用性,采用多脉冲控制方法,利用脉冲点的位置参数建立了以脉冲点时间间隔为决策变量的优化目标函数,并用EPSO算法进行求解。在EPSO中,种群熵描述粒子在搜索空间中位置分布的混乱程度,并通过上一代的种群熵确定下一代的搜索空间,从而减少搜索空间的浪费,提高了算法的搜索速度和收敛精度。仿真结果表明,算法本身具有良好的优化性能,适用于航天器轨迹优化。     

采用二次修正的立方星拦截仿真研究

针对空间攻防背景下立方星拦截问题，提出了一种Lambert求解与C-W方程结合的以燃料-时间为约束的拦截轨道快速设计方法。该方法首先在Lambert求解框架下，以燃料和拦截时间为限，建立了立方星转移时间与速度增量的模型，生成了初始拦截轨道；随后根据末端拦截精度需求，通过C-W方程进行末段导引，施加二次脉冲，对拦截轨道末端进行误差修正，使得最终误差可以满足任务要求。最后通过GMAT构建的轨道力学环境，在Matlab算法驱动下进行联合仿真验证，分析表明该算法在燃料和时间的共同约束下可获得一条优化轨道，并能兼顾末端拦截精度，具有工程借鉴意义。     

基于序优化理论的晕轨道转移轨道设计

利用晕轨道的稳定流形可以设计从地球到晕轨道的转移轨道。但由于小幅度晕轨道的稳 定流形与地球停泊轨道无法相交,因此需采用两脉冲转移。微分修正法是求解两脉冲转移常 用的优化方法,虽然收敛速度快,但很难获取全局最优解,而且收敛半径小,如果初始猜想 与最优解相差很远,该方法可能会不收敛。将序优化理论与微分修正法相结合,利用序优化 思想缩小搜索空间,得到足够好的初始猜想,然后利用微分修正法快速收敛到满足终端精度 要求的解。仿真结果表明该方法有很好的收敛性,且计算量小。
     

火箭返回制导动力着陆段的自适应启动方法

针对重复使用火箭垂直返回着陆问题,提出了一种燃料最优的动力着陆段自适应启动方法。首先,将燃料最优启动点对应的动力着陆轨迹的推力剖面和攻角剖面描述为解析的形式,该解析形式中攻角剖面由状态量唯一确定,推力剖面仅含一个待定参数。随后,通过预测具有上述解析剖面形式的轨迹判断是否启动动力着陆。计算中引入松弛终端位置约束的策略求解推力剖面待定参数,由终端位置约束判断是否满足燃料最优启动条件。上述策略将燃料最优启动条件的判断问题简化为单一变量求解问题,实现了该问题的快速求解。仿真结果表明,该方法得到的启动点与数值优化方法得到的燃料最优启动点接近,且求解过程稳定、计算效率高。     

基于子集模拟优化的空天飞机再入轨迹混合优化方法

提出采用一种新的随机优化算法(子集模拟优化算法)来改进现有的空天飞机再入轨迹混合优化方法。这种混合优化方法的思路是:首先在整个设计空间使用子集模拟优化算法进行全局搜索,迭代适当步数。之后,将其计算结果作为初值,用序列二次规划法优化算法进行再次优化,收敛后得到最终优化结果。算例证明,对于不同的精度要求,这种混合优化方法能均有效地求解空天飞机再入轨迹优化问题,且计算量较少。     

航天器远程自主交会方法设计与实现

为解决未来交会对接任务的自主化问题,提出航天器远程自主交会方法。给出适用于远程自主交会的变轨策略,设计航天器上自主变轨规划算法,通过初值计算和精确解迭代两个步骤对变轨策略进行求解,获得变轨控制参数。采用拟平均根数法结合平均密度法进行轨道预报,在尽量保证模型精度的同时极大降低了轨控参数求解过程中的在轨计算量。仿真结果表明,使用该方法规划的远程导引段轨道控制,可使终端精度满足指标要求,且方法简单可靠、合理可行,具有工程应用价值。     

基于序列二次规划算法的再入轨迹优化研究

介绍了序列二次规划算法在飞行器再入轨迹优化问题中的应用.首先引入了能量替代变量对无量纲运动方程进行推导,使得运动方程和优化问题易于处理,考虑严格的过程约束和终端约束,以攻角和倾侧角为控制变量,总加热量最小为性能指标;然后通过直接配点法将最优控制问题转化为非线性规划问题,选取各节点的状态量和控制量作为优化参数;最后应用序列二次规划算法对非线性规划问题进行求解.针对多约束的再入飞行器的轨迹优化时对初值敏感的问题,提出一种参考轨迹快速规划算法,提高了优化速度.仿真结果表明提出的方法能够较快地搜索到最优轨迹,满足所有约束且落点精度高.     

基于任务规划的有限推力燃料最优交会

给出了空间交会冲量机动任务规划及基于该任务规划的有限推力燃料最优交会算法。首先,以双冲量空间交会作为问题的初步模型,采用Battin-Vaughan算法对追踪器初始位置和飞行时间的组合进行遍历计算,通过分析特征速度等值线图,进行空间交会的任务规划,为有限推力燃料最优交会提供重要的初值条件。基于任务规划分析,建立了有限推力燃料最优交会的最优控制模型,根据庞特里亚金极值原理将最优控制问题转化为两点边值问题,采用共轭梯度算法进行数值求解。在变轨时间固定、连续变推力的情况下,以总冲最小、满足终端位置和速度约束为指标,对推力大小和方向进行优化。通过数值仿真,得到了一些重要的结论,为工程应用提供了一定参考价值。     

考虑J2项摄动的Lambert问题状态空间摄动解析近似法

针对Lambert转移轨道在考虑J2项摄动时终端位置偏差大的问题,提出了一种基于状态空间摄动法的初始速度修正方法。该方法中初始脉冲速度的主要部分根据二体Lambert变轨原理计算,J2项摄动的修正部分根据状态空间摄动法解析计算。为求得修正量,在当地水平坐标系中建立线性化摄动运动方程,并令线性系统的零输入响应和零状态响应在终端点处相互抵消,从而得到解析解。通过数值仿真验证了该方法的有效性,J2项摄动条件下的终端位置精度能够满足一般的任务要求,但其位置精度受转移时间影响较大。     

混合空间目标下的多航天器抵近观测任务规划

研究了服务航天器对多个空间目标的抵近观测任务规划问题,并考虑了高价值航天器、普通航天器以及失效航天器或空间碎片3类待观测目标。通过构建合理的评价体系,对目标观测的任务方案进行评分。建立了综合观测目标数量、观测目标类型、燃料消耗、单次点火速度增量以及任务时长的多约束优化模型,涉及的优化变量包括目标分配向量、观测次序向量以及观测时刻向量。服务航天器通过一种四脉冲机动策略抵近每个目标。采用进化算法求解规划问题,并提出一种基于动态规划（DP）的局部搜索策略以优化观测时刻,提升优化效率。最后分别给出了针对单一类型和混合类型空间目标的抵近观测任务规划算例,通过与传统进化算法的求解结果对比,说明了所提出的DP搜索策略的优势。     

考虑在轨运动可靠性的空间机械臂关节力矩优化方法

提出一种考虑在轨运动可靠性的冗余度空间机械臂关节力矩优化方法。首先将机械臂操作空间中点到点的转移任务从笛卡尔空间转换至关节空间,利用七次多项式插值法对各关节变量进行参数化处理,获得粒子群算法的优化控制参数;与传统路径规划方法不同,将机械臂各关节力矩的均值和最小作为粒子群算法优化求解的目标函数;依据该目标函数以及相应优化控制参数,利用粒子群算法对空间机械臂运行轨迹进行优化求解,得到机械臂关节力矩均值和最小的运行路径。仿真实验表明,相比传统路径规划方法及以关节力矩二范数为目标函数的关节力矩优化方法,在降低冗余度空间机械臂关节力矩均值方面,文中方法分别减小了33.57%和10.47%;在降低关节力矩最大值方面,分别减小了43.25%和6.19%。     

空间机械臂辅助深层采样阻抗控制策略

针对空间机械臂辅助深层采样任务中的建模与控制问题,基于刚体李群SO(3)方法对机械臂进行建模。通过梯形规划对机械臂进行轨迹规划,采用阻抗控制方法控制机械臂运动。推导了李群SO(3)模型下机械臂关节空间与末端笛卡尔空间之间的雅可比矩阵,并且得到了两个空间的相互转换关系。采用锥互补方法计算采样机械臂与复杂接触面的碰撞力,并基于非光滑算法求解锥互补条件与系统动力学方程。通过对比位置控制与阻抗控制,证明了阻抗控制在实际应用过程中能够更加柔顺地控制机械臂与接触面进行接触。通过对控制参数进行调整,探究了不同控制参数对机械臂控制的影响,优化得到了合适的控制参数,从而能控制机械臂辅助完成深层采样的任务。     

月球软着陆轨道的时间逼近法快速优化设计

提出一种时间逼近法快速求解月球最优软着陆问题。首先,通过解析估算软着陆时间 ,将原问题转化为终端时间固定型最优控制问题。然后,优化该问题,使软着陆条件尽可能 得到满足。在此基础上,根据优化出的终端能量特性对着陆时间进行修正,得到新的终端时 间固定型最优控制问题。重复前述优化和修正,即可逐渐逼近最优软着陆时间。对于终端时 间固定型最优控制问题,将其直接离散化为非线性规划问题,采用拟牛顿法和四阶Admas预 测-校正积分方法快速求解。仿真结果表明此方法优化精度较高,收敛速度快(<1s),稳定性 好(对初值不敏感),可用于机载计算机实时生成软着陆轨道。     

基于三阶解析解的小行星平衡点附近halo轨道确定方法研究

尽管周期解的存在性已经被证明,但要在给定的动力学系统中寻找到满足一定精度要求的周期解依然是一件极富挑战性的工作.提出如下方法确定小行星平衡点附近精确的周期轨道(halo轨道).首先扩展运动方程:将小行星平衡点附近轨道运动方程的右端项在平衡点处展成三阶幂级数.从而将非线性运动学方程扩展为拟线性微分方程.然后求近似解析解:应用Lindstedt-Poincaré方法求解扩展后的运动方程组,将周期解和其运动频率展开成三阶幂级数,并将二者代人扩展后的拟线性微分方程中.这样就可以得到三个不同阶的线性运动方程,逐次求解三个微分方程并消除解中的永年项即可得到hal.轨道的三阶解析解.最后微分校正:将周期轨道在三阶解析解附近线性化,得到状态转移矩阵,并使用状态转移矩阵和轨道终端状态的偏差修正轨道初值,从而得到满足精度要求的精确引力场中的halo轨道.     

基于遗传算法的极短弧段天基轨道确定方法

天基光学观测系统采用恒星跟踪模式监视空间目标时获取的观测弧段极短,在极短弧段观测条件下,经典的轨道确定方法会由于求解方程的本征病态无法得到合理解。针对该问题,文章采用遗传算法对空间目标极短弧段轨道确定问题进行优化求解,建立了基于遗传算法的空间目标初始轨道参数求解的运算模型,并利用空间目标的分布特性进行分区域计算,从而有针对性地缩小搜索范围,提高了计算效率并避免解收敛到局部最优值。仿真试验表明:该方法能够利用天基极短弧段观测数据正确估计空间目标初始轨道参数,定轨精度优于Gauss法与采用观测斜矩作为优化变量的方法。此方法为精密定轨提供有效初值,提高多个短弧段之间的关联性,由此可为天基光学观测平台的空间目标监视、跟踪以及编目任务提供参考。