基于粒子群算法的多脉冲转移轨迹优化

通过引入Lambert算法处理终端约束条件,建立基于可行解迭代的多脉冲转移轨迹优化模型,采用粒子群算法优化最省燃料转移轨道,并对分别采用变轨点真近点角和变轨时刻作为设计变量的优化结果进行了对比分析.对相同的两脉冲、三脉冲轨道转移问题,优化结果验证了提出的优化模型和优化算法的正确高效性.仿真表明,使用变轨点真近点角为设计变量时优化效率和结果更好.     

地球同步轨道卫星混合推进转移轨道特性分析

以地球同步轨道卫星转移轨道设计为背景，针对全化学推进燃料消耗大和全电推进转移时间长的问题，开展了化学 电混合推进转移轨道优化设计与特性分析。首先，讨论了轨道倾角和近地点幅角变化对混合推进转移轨道的影响。研究表明，在混合推进优化设计中需要将轨道倾角作为优化变量之一。然后，以近地点半径、远地点半径、轨道倾角为优化变量生成搜索网格，得到过渡轨道集。针对每条过渡轨道，构建化学推进转移段和电推进转移段。其中化学推进段采用单圈兰伯特转移解算，电推进段采用混合法优化。最后，以燃料消耗和转移时间为指标，在搜索域内开展解算分析，研究了混合推进轨道在整个搜索域内的变化趋势。该方法可以提供具有不同燃料消耗和转移时间的混合推进转移解集，拓宽了解空间，可供轨道设计人员根据任务约束灵活选用。     

航天器交会中的Lambert问题

应用Lagrange转移时间方程研究空间交会中的Lambert问题,包括经典Lambert问题(飞行弧段不足一圈的椭圆型轨道转移)与多圈Lambert问题(飞行圈数超过一圈的轨道转移),阐述转移轨道的几何特性与转移轨道类型,分析转移时间与转移轨道参数及变轨速度增量之间的关系。对航天器交会中常用的圆轨道之间的双冲量转移,给定转移角与转移时间,阐述最小变轨速度增量所对应的转移圈数与轨道参数的求解方法,提出满足最小变轨速度增量要求的轨道转移的图解法。对给定的初始分离角与交会时间,按最小变轨速度增量要求,确定航天器交会的初始漂移时间、双冲量轨道转移时间与终端停泊时间。     

基于冲量变轨原理的地球同步卫星有限推力变轨策略

  推力有限时,地球同步轨道卫星在远地点变轨的弧段很长,会导致较多的燃料消耗。基于冲量变轨原理,研究了地球同步轨道卫星远地点有限推力多次变轨问题,提出了具有星下点约束的最省燃料变轨方案,给出了每次变轨的推力方向和点火起止时刻及最优中间过渡轨道。仿真结果验证了该方案的有效性。     

On prediction of re-entry time of an upper stage from GTO

The evolution of objects in geostationary transfer orbit (GTO) is determined by a complex interplay of atmospheric drag and luni-solar gravity. These orbits are highly eccentric (eccentricity >0.7) and have large variations in velocity and perturbations during a revolution. The periodic changes in the perigee altitudes of these orbits are mainly due to the gravitational perturbations of the Sun and the Moon. The re-entry time of the objects in such orbits is sensitive to the initial conditions. The aim of this paper is to study the re-entry time of the cryogenic stage of the Indian geo-synchronous launch vehicle, GSLV-F04/CS, which has been decaying since 2 September 2007 from initial orbit with eccentricity equal to 0.706. Two parameters, initial eccentricity and ballistic coefficient, are chosen for optimal estimation. It is known that the errors are more in eccentricity for the observations based on two line elements (TLEs). These two parameters are computed with response surface method using a genetic algorithm for the selected eight different zones, based on rough linear variation of the mean apogee altitude during 200 days orbit evolution. The study shows that the GSLV-F04/CS will re-enter between 5 December 2010 and 7 January 2011. The methodology is also applied to study the re-entry of six decayed objects (cryogenic stages of GSLV and Molniya satellites). Good agreement is noticed between the actual and the predicted re-entry times. The absolute percentage error in re-entry prediction time for all the six objects is found to be less than 7%. The present methodology is being adopted at Vikram Sarabhai Space Centre (VSSC) to predict the re-entry time of GSLV-F04/CS.     

气动力辅助椭圆轨道转移技术研究

研究了两种共面椭圆轨道最优转移方法--基于单纯推力的双脉冲对称转移和基于气动力辅助变轨技术的协同机动方法。推导了双脉冲对称转移问题中转移椭圆轨道的求解公式,采用遗传算法求解最优变轨点位置,给出了变轨脉冲的计算方法。将气动力辅助对称转移过程分为3段：真空飞行段、大气飞行段、真空飞行段。以能量最小为性能指标,将大气飞行段轨迹优化问题转化为标准最优控制问题模型,并利用Gauss伪谱法进行求解,得到“巡航+滑行+巡航+滑行”的大气最优飞行轨迹。最后对两种转移方法进行详细比较,指出初始椭圆轨道近地点越接近大气层,气动力辅助对称转移方法比双脉冲对称转移方法越节省能量。     

航天器交会远程快速自主制导方法

针对近地近圆轨道航天器交会任务,设计了基于经典轨道要素的远程快速自主制导算法.对于任意初始纬度幅角偏差的远程导引,通过建立纬度幅角偏差与半长轴偏差的关系,将远程导引段分为初始轨道飞行、调相轨道飞行和调整轨道飞行3个阶段.初始轨道飞行进行轨道共面修正和调相机动;在调相轨道飞行期间,进行自然调相以及调相轨道到调整轨道的机动;调整轨道飞行阶段进行追踪航天器的远地点高度和近地点高度的修正,以及再次共面修正.所有变轨机动都以制导脉冲的形式给出,并都在轨道特殊点执行.精确轨道仿真验证了远程快速自主接近制导算法的可行性.     

航天器双主动交会策略研究

从理论上分析了共面近地圆轨道上的航天器的远程双主动交会的问题.根据轨道动力学基本原理,导出各种情况下特征速度的解析解,为航天器变轨时的燃料消耗分析提供了依据.进一步探讨了航天器轨道转移过程中的时间策略,以保证在不同轨道上运行的航天器在同一时刻、同一空间位置交会.上述理论分析的仿真计算结果表明,双主动交会总特征速度和过程耗时都低于主被动交会情形,单星的燃料消耗大大降低,对大范围快速变轨,优势更加明显.     

关于HEO空间飞行体的轨道寿命问题

低轨地球卫星的轨道寿命主要取决于大气的耗散作用,其轨道在不断变小(即高度降低)变圆的状态下进入地球稠密大气层中陨落.但HEO(Highly Eccentric Orbit)类型的空间飞行体的运行轨道是一个近地点高度很低,远地点高度却很高的大偏心率椭圆轨道,其轨道寿命主要由第三体(日、月)引力摄动所决定,而且还与其轨道的初始状态有密切关系,特别是慢变量Ω(轨道升交点经度)和ω(轨道近地点幅角),决定了偏心率e的长周期变化状态,从而制约了HEO类型空间飞行体的轨道寿命.本文将根据地球卫星轨道变化规律进行理论分析,阐明这一力学机制,并给出相应的数值验证.      

On two kinds of intermediate orbits for asteroid explorations

In the paper, two kinds of intermediate orbits for asteroid explorations are proposed. One is around the collinear libration points of the Sun-asteroid restricted three-body problem. The other is around the asteroid itself. The first kind of intermediate orbit is applicable to asteroids with known masses, while the second is suitable for asteroids with unknown or negligible masses. Analytical solutions of these two intermediate orbits in the simplified models are introduced first, and then numerical algorithms are used to refine them to obtain the true orbits in the real force model. At last, the problem of station-keeping is addressed. The linear optimal feedback control law is used, and numerical simulations are made to both kinds of intermediate orbits. The results show that both kinds of orbits are feasible. The cost is reasonable and mainly depends on the initial insertion error.     

Spacecraft fuel-optimal and balancing maneuvers for a class of formation reconfiguration problems

This paper presents fuel optimal and balancing methodologies for reconfiguring multiple spacecraft in formation subject to a Newtonian gravity field. For a kind of continuous-thrust propulsion system, a fuel-optimal control problem is formulated to minimize the integral squared control subject to the linearized Hill or Clohessy–Wiltshire dynamics of relative motion with respect to a circular reference orbit. Palmer’s analytical solution for general reconfiguration is adapted to maneuvers between projected circular orbits, resulting in the optimal fuel consumption index as a function of configuration parameters such as orbit radius, phase angle, and transfer time. Parametric analyses reveal unique characteristics of individual fuel optimality and gross fuel consumption: for an arbitrary selection of initial/terminal orbit radii, (i) there exist special transfer times such that individual fuel consumption is optimally uniform for all phase angles, and (ii) the total fuel expenditure for a group of three or more spacecraft is invariant for the relatively same configuration with respect to the departure phase. These results serve to effectively design fuel balancing strategies for formation reconfiguration of multiple spacecraft.     

月球探测器发射机会分析

发射月球探测器实际上是使探测器与月球交会的问题,由于月球位置的变化,选择不同的交会日期相应的地月转移轨道是不相同的。文章分析了月球在一个恒星月内位置变化与相应的地月转移轨道升交点赤经和近地点幅角变化的关系,在这个基础上讨论了发射机会和发射窗口问题。     

A BRIEF INTRODUCTION TO GEOSPACE DOUBLE STAR PROGRAM

The Geospace Double Star Exploration Project (DSP) contains two small satel lites operating in the near-earth equatorial and polar regions respectively. The tasks of DSP are: (1) to provide high-resolution field, particle and wave mea surements in several important near-earth active regions which have not been covered by existing ISTP missions, such as the near-earth plasma sheet and its boundary layer, the ring current, the radiation belts, the dayside magnetopause boundary layer, and the polar region; (2) to investigate he trigger mechanisms of magnetic storms, magnetospheric substorms, and magnetospheric particle storms, as well as the responses of geospace storms to solar activities and in terplanetary disturbances; (3) to set up the models describing the spatial and temporal variations of the near-earth space environment.To complete the mission, there are eight instruments on board the equatorial satellite and the polar satellite, respectively. The orbit of the equatorial satellite is proposed with a perigee at 550km and an apogee at 60 000km, and the inclination is about 28.5°; while the orbit of the polar satellite with a perigee at 700 km and an apogee at 40 000 km, as well as an inclination about 90°. The equatorial and polar satellites are planed to be launched into orbits in June 2003 and December 2003 respectively to take coordinating measurements with Cluster Ⅱ and other missions.     

最优气动力辅助空间拦截和交会

航天器从高轨道向位于低地球圆轨道的靶目标实施拦截或进行交会 ,并用间接求解的直接伴随方法 ,即用D型拉格朗日方法求解其优化问题。拦截条件是指在最终时刻两者的位置相同 ,而交会条件是指不仅位置相同且最终的速度矢量亦相等。文章讨论了最小时间与最小脱靶量 ,或最小时间与最小燃料消耗的复合性能指标 ,以及推力协同机动的优化解。推力协同下 ,对于特定情况 ,如在热流约束边界部分推力弧是奇异的 ,气动力控制是正常的。这种复杂性和奇异问题的求解在拦截和交会问题中都是值得慎重处理的。     

一类最省燃料优先的多圈飞行脉冲交会

通过分析采用多圈飞行Lambert解的双脉冲交会的特征速度与转移轨道半长轴的关系,指出其最优解实际上是2N+1条满足时间约束的转移轨道中燃料较省的,而非最省燃料轨道.提出将双脉冲交会的首次脉冲矢量分解成方向相同的两次脉冲,使得追踪器在特定的滑行轨道飞行N圈以消耗多余的转移时间,利用剩余的转移时间沿最省燃料轨道与目标交会.几何上证明了这种交会的特征速度与最省燃料转移相同,并且给出了解的存在性条件.通过仿真验证了这种交会比采用多圈飞行Lambert解的双脉冲交会更省燃料,解的存在性对转移时间的长度要求更低.     

空间交会中多圈Lambert变轨算法研究

用两个位置和飞行时间来决定轨道的问题 ,即Gauss问题 ,是航天动力学中的一个基本问题。而Lambert交会问题是Gauss问题在航天器空间交会领域的具体化。文中提出了一种新的算法 ,解决了航天器多圈Lambert变轨的求解问题 ,由此来寻求在飞行时间较长的情况下 ,航天器的Lambert交会燃料最优轨道 ;并由算例验证了这种算法的正确性和鲁棒性     

椭圆轨道相对动力学状态转移矩阵

针对已有研究的不足,给出了更加便于理论分析和工程应用,并具有普遍适用性的状态转移矩阵的一种新形式。基于Lawden方程推导了以三维空间中位置-速度表示的状态转移矩阵元素的具体表达式,并将其由角域变换到时域,得到了表示真实位置速度的状态转移矩阵,通过初等变换可以从该矩阵得到任意需要的形式。仿真结果表明了状态转移矩阵的有效性,可将其用于任意偏心率椭圆轨道的三维轨道交会、轨道修正、编队队形设计及控制问题。     

远程导引可行飞行方案寻求算法研究

提出了一种寻求远程导引可行飞行方案的算法，能够满足远程导引对测控、日照、燃料和时间等各方面的要求；重点论述了Lambert一次变轨方案，给出了算法的具体步骤和主要模块的实现方法；最后给出了一个算例，说明算法是切实可行的。     

利用卫星两行轨道根数反演热层密度

两行轨道根数（TLEs）是基于一般摄动理论产生的用于预报地球轨道飞行器位置和速度的一组轨道参数,通过求解大气阻力微分方程,可反演出热层大气密度. 本文选取近圆轨道CHAMP卫星和椭圆轨道Explorer8卫星,以两行轨道根数数据为基础,计算反弹道系数,并根据不同轨道特征采用两种不同反演方法对热层大气密度进行研究. 结果表明,这两种方法反演得到的大气密度与实测值均符合较好,其中CHAMP卫星的反演结果和经验模式值相对于实测值的误差分别为7.94%和13.94%,Explorer8卫星的误差分别为9.04%和14.32%. 相比模式值,利用两行轨道根数数据反演的热层大气密度更接近于实测值,说明该方法可以作为获取大量可靠大气密度数据的一种有效途径.      

基于T-H方程的多脉冲最优交会方法

针对椭圆参考轨道交会问题,采用T-H方程描述相对运动,提出了一种时间固定燃料最省的多脉冲最优交会方法,优化参数为交会脉冲及其施加时刻.当考虑到J2摄动或航天器初始相对距离较大时,用T-H方程进行状态预测其线性化误差一般不容忽略,而若用轨道积分预测则耗时较多,进而导致优化时间过长.针对此问题,提出一种采用前一优化脉冲节点的状态导出的轨道根数预测当前节点状态的预测方法.该方法简单实用,有效地加快了优化收敛速度.最后基于多脉冲优化解进行了数值轨道积分以验证交会精度.仿真结果表明,即使加上J2摄动,在初始相对距离为1 000 km时,该方法的终端位置精度仍能达到75 m.