基于轨道可达域的机动航天器接近威胁规避方法

面对日益复杂的空间安全形势,基于轨道机动可达域分析提出了机动航天器接近威胁计算、评估和规避方法。首先,基于可达性判据给出机动能力受限的航天器单脉冲轨道机动可达域求解方法。其次,通过判断在轨航天器自身轨道与来袭航天器机动可达域间的位置关系计算其位于威胁域内的区段,进而得到轨道危险区。再次,基于两航天器进出危险区的时间定义了威胁评价指标,从空间和时间的窗口匹配性角度分别评估在轨航天器受来袭航天器的威胁程度。最后,给出了基于最小化危险区的航天器最优多脉冲接近威胁规避策略,对比了多个脉冲方案结果。仿真结果表明,在轨航天器能够在满足给定约束条件下实现对危险区的机动避让,并以最小燃料消耗回归正常运行轨道。     

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。     

航天器短期规避路径规划研究

针对在轨航天器主动防护的问题,对航天器直接规避路径规划和航天器规避-返回路径规划进行了研究,建立了规避-返回轨道规划问题的脉冲式最优轨迹非线性规划模型,利用主矢量理论和序列二次规划算法对问题进行了求解。通过数值仿真,揭示了航天器规避机动时刻与所需燃料、分离距离与所需燃料以及不同返回时间与所需燃料的规律,得到了对航天器主动防护研究有意义的结果,同时可为工程应用提供相关参考。     

航天器悬停构型设计与控制方法

为满足航天器在轨服务任务对悬停技术的需求,对航天器悬停构型的设计与控制问题进行了研究。通过任务航天器轨道设计得出目标航天器与任务航天器的绝对轨道关系,并用以说明悬停轨道的形成机理。结合任务航天器相对于目标航天器的相对轨迹,采用具有严格定义的相对轨道要素,对悬停轨道在目标航天器轨道平面内和平面外的构型进行描述。对"间隔式"的悬停构型脉冲控制策略进行推导,以实现任务航天器在目标航天器任意位置的长期悬停,并在此基础上分析悬停构型变化对速度脉冲的影响。最后,通过典型仿真算例验证所提方法与结果的正确性和有效性,并获得任务航天器在不同悬停轨道间转移的实现过程。研究结果完善了航天器悬停轨道的设计与控制方法,并说明了设计的悬停轨道具有可行性,能够为工程任务设计人员提供参考。     

基于在轨加注站的空间运输系统规模分析

针对基于在轨加注站模式的空间运输系统,分析了其执行地球空间任务、载人月球探测任务、载人小行星探测任务和载人火星探测任务时采用的不同空间运输系统组合,对比了反推减速和气动减速两种方式,得到了具体的加注站及其空间运输系统的规模和数量需求。结果表明基于在轨加注站的整个空间运输系统规模和在轨加注规模有限,数量可控,可实现性强,利用两个加注站和有限数量的空间转移运载器就能满足多种空间探测任务的需求。     

“轨道快车”与交会对接

美国东部时间2007年3月8日晚10:10分,美国宇宙神-5火箭从卡纳维拉尔角空军基地发射升空。该火箭携带6颗卫星,其中2颖是美国空军轨道快车试验卫星。轨道快车计划是为了对卫星等航天器进行无人在轨服务,包括燃料加注、检修故障、更换部件和进行装配等。     

考虑潜在威胁区的航天器最优规避机动策略

随着一系列轨道转移飞行器的工程化实施,航天器可能面临的非合作交会威胁日趋严重。针对该问题,根据交会机动的特点定义了新的规避机动指标——潜在威胁区,相较于传统的相对距离和碰撞概率等规避指标,潜在威胁区更适合航天器在面对非合作交会追踪器时进行规避机动,能够有效提升航天器的抗交会能力。首先,建立追踪器多脉冲最优交会模型,以此为基础给出潜在威胁区的定义与计算方法;然后,以潜在威胁区弧长为优化目标,建立了目标器最优规避模型,采用遗传算法进行目标优化;最后,根据所建立的双层优化模型进行数值仿真,以初始相距100km为初始条件进行仿真并计算得到了使潜在威胁区为零所需规避脉冲值,验证了文中模型的正确性,结果显示所定义的潜在威胁区弧长随着规避脉冲的增大呈严格的单调递减关系。研究为在轨航天器在面对非合作交会时提供了有效的规避策略,提升了航天器的空间生存能力。     

空间目标光电跟踪的调度策略

针对空间目标光电跟踪调度问题,根据不同轨道空间目标的运动特征,着重考虑对编目定轨影响最大的轨道弧长,基于线性规划模型,分别提出了适合低轨道和中高轨道空间目标跟踪调度优化数学模型。仿真计算表明,模型在消除弧段冲突、充分利用观测时间的基础上实现了最优轨道弧长的观测策略,计算量适当,能够满足实践应用的需求。实测试验表明调度策略有效可行,能够提高50%的有效观测时间。     

低轨载人航天器原子氧环境仿真分析技术

原子氧是影响低地球轨道航天器在轨性能的重要空间环境因素之一,其氧化性对航天器表面材料及舱外组件造成损伤,严重影响航天器在轨寿命。针对此问题提出了一种原子氧仿真分析方法,以此对长期低轨运行的载人航天器模型在轨期间表面遭受到的原子氧累积通量进行分析,仿真结果与NASA实测飞行数据比较,二者吻合很好。本仿真计算方法可用于低轨飞行器原子氧防护设计,仿真结果可作为试验依据。     

基于同伦方法的地月系L_2点小推力转移轨道优化

针对地月系下航天器从GEO轨道到L2点的时间最优小推力转移轨道问题,基于庞德里亚金极值原理,推导了限制性三体问题模型下的小推力转移轨道优化问题的最优性一阶必要条件,即推力保持最大值,且方向始终沿主矢量反方向,并将优化问题转换为两点边值问题。通过与同伦方法相结合,解决了间接法求解过程中收敛域小的困难。首先构造了针对推力幅值进行同伦的同伦函数,以大推力幅值的轨道转移问题作为同伦初始问题,然后选取连续同伦中的伪弧长法为同伦曲线跟踪方法,通过迭代求解了不同同伦参数值下的子问题,最终得到原问题下的小推力转移轨道。最后,在数值仿真中得到了不同推力值下的转移轨道,验证了该同伦方法在求解小推力转移轨道中的有效性。     

基于能量最优的敏捷遥感卫星在轨任务规划

针对敏捷遥感卫星对多个离散观测点在轨自主任务规划问题,在考虑姿态运动方程耦合性的基础上,将问题分解为空间资源调度问题和连续最优控制问题,进而提出了一种结合伪谱法和遗传算法的混合求解算法。该算法针对基于行商问题(TSP)模型建立的空间资源调度问题模型,选用二维编码结构对观测顺序和相对观测时间进行实数编码,并采用遗传算法求解观测序列和观测时间;针对判断观测时间可行性时涉及的时间最优控制问题、以及姿态转移过程中涉及的最小能量消耗问题,将其归结为连续最优控制问题,并基于Gauss伪谱协态变量映射定理,采用Gauss伪谱法进行求解。通过与基于单纯遗传算法的规划算法进行对比试验,本文所提出的基于伪谱法和遗传算法的混合求解策略针对目标问题,在典型工况下姿态转移过程中能量消耗降低60%。     

一种多目标区域多轨道星座设计方法

在有限资源条件下,针对多目标区域的对地观测问题是航天器轨道设计、在轨任务规划中的重要问题。卫星效能的充分发挥基于科学的卫星星座设计。围绕多区域多轨道星座设计问题:首先,结合运载器实际能力,确定轨道类型和设计变量;然后,根据轨道外推、星下点轨迹、探测区域等算法,提出重访时间的计算方法,以最大重访时间作为星座性能指标,采用多层嵌套变量搜索方法实现星座设计;最后,对 1个具体任务进行实例设计。结果表明,采用该方法能够设计出满足指标要求的星座,具有可行性。     

GEO卫星寿命末期异常情况下离轨控制策略

为及时有效处置卫星寿命末期在轨突发情况,有针对性地做好卫星离轨的各项准备,控制与减小突发异常危害和不良影响,根据离轨控制要求,对异常情况下实施离轨的控制策略进行分析,提出了在燃料受限情况下"小步逼近"的多批次双脉冲离轨控制策略,以及在离轨控制时间受限情况下"大步远离"的短时间大控制量离轨控制策略,并通过仿真对控制策略进行了验证。结果表明,"小步逼近"控制策略能在燃料受限时尽可能地逼近坟墓轨道,"大步远离"控制策略能在较短的时间内将卫星送入坟墓轨道,该策略适用于GEO(Geostationary Earth Orbit,地球静止轨道)卫星寿命末期异常情况下的离轨控制。     

天/地基多平台空间目标光电观测时效性分析

针对如何部署光学探测设备才能更好实现对空间目标的高精度高频度监视问题,考虑光照条件、相对关系及探测性能,构建了天/地基空间目标探测与成像仿真模型;按照轨道特征选取了94颗LEO（Low Earth Orbit,低地球轨道）卫星、63颗GEO（Geosynchronous Earth Orbit,地球同步轨道）卫星和18颗大椭圆轨道卫星,选用春夏秋冬典型季节的特定时间长度,仿真分析了国内地基、南北极科考站、LEO卫星、准GEO卫星等多平台光电手段的位置探测和成像观测能力;比对分析地基平台纬度和季节、天基平台轨道高度和倾角对探测能力的影响得出：南北极科考站相比于国内站点可提高重点季节的探测时效性,98°倾角LEO平台对低轨目标成像时效性方面更具优势,等.在此基础上,提出了我国空间目标光电观测设备天地一体的布局构想.     

大型航天器无控飞行再入时间短期预报的轨道摄动方法研究

针对寿命末期大型航天器临近再入前轨道衰降受到跨流域多尺度非平衡环境下气动力/力矩影响显著的问题,基于体坐标系下的气动力和力矩分量,建立了航天器轨道-姿态动力学摄动模型;结合航天器再入跨流域空气动力学统一计算理论与数值模拟手段,提出了大型航天器无控飞行轨道衰降过程气动特性一体化快速算法。基于地心惯性坐标系气动融合轨道动力学方程数值积分方法对航天器的轨道姿态摄动模型进行了外推计算,结合无迹卡尔曼滤波方法对外测轨道星历观测数据初值误差和模型误差进行了滤波。针对250～120 km高度范围的大型航天器短期轨道衰降变化进行仿真预测,对比了外测轨道星历数据,结果表明:本文提出的经卡尔曼滤波误差分析的轨道摄动模型方法对寿命末期大型航天器短期轨道预报具有较强的模拟能力与有效性,有助于推动近地轨道空间目标气动融合轨道数值预报领域发展。     

在轨服务的相对运动耦合动力学建模与分析

研究在轨服务航天器逼近与捕获目标航天器的相对轨道姿态耦合动力学建模问题。考虑航天器姿态与对接位置的运动耦合,建立目标运行在任意轨道下的相对轨道姿态耦合动力学模型,并对模型中的运动耦合进行深入分析。设计一种非线性的输出反馈姿态控制律,将建立耦合动力学模型与CW方程进行仿真比较,验证轨道与姿态的运动耦合对两航天器对接点之间相对位置的运动影响。     

基于改进差分进化算法的舰面保障作业优化

舰载机舰面保障作业调度效能是制约航母编队综合作战能力的重要因素。首先,分析了舰面保障作业流程约束和资源约束,以最小化舰面保障作业完工时间为目标函数,建立了舰面保障作业调度优化模型。其次,设计改进差分进化算法用于模型求解,算法采用基于作业开始时间改进的随机键编码方式和并行变异算子结构,以提高算法搜索效率。最后,进行了仿真试验,验证了模型和算法的有效性,并进一步研究了并行变异算子结构对算法 性能的影响。     

带子星航天器总体参数多学科设计优化

针对带子星航天器总体参数多学科设计优化(MDO)问题,进行系统任务分析和学科耦合关系分析.考虑有效载荷、轨道和结构等学科设计变量和约束条件,以航天器有效接近区和整星质量的综合指标为目标,建立MDO模型和相应分析模犁.利用iSIGHT软件搭建求解平台,采用基于罚函数的协同优化(CO)算法对所建立的MDO模型进行仿真计算,...     

航空母舰舰载机弹药保障作业调度优化算法

针对航空母舰舰载机弹药保障作业高动态、多阶段特性，将柔性流水车间调度方法和群体智能优化理论相结合，提出一种面向舰载机弹药保障作业的调度优化算法。提出将复杂的弹药保障作业调度问题抽象规约为一类考虑工件交货期的柔性流水车间调度问题，引入启发式规则，构建兼顾高效性和可靠性实战要求的弹药保障作业调度数学模型ATSCA。结合弹药保障作业问题特征，设计提出一种基于双层整数编码的贪婪局部搜索遗传算法（GLSGA-DC），改进操作算子和局部搜索算法设计，以最小化弹药保障完成时间为目标对保障模型进行求解。多组仿真结果表明，相比于同类算法，GLSGA-DC算法在Benchmark基准算例和实际弹药转运实例实验中均取得优秀的效果，在求解均值（AVG）、相对偏差（RD）等指标方面均明显占优，验证了ATSCA模型和求解算法在实际弹药保障任务中的有效性和鲁棒性。     

激光微推进器用于微小卫星的姿轨控仿真

为研究激光微推进器用于微小卫星在轨空间飞行任务的可行性,利用已建立的激光推进微小卫星仿真平台,对微小卫星在轨姿态调整、轨道维持和轨道转移等飞行任务进行了仿真和分析。仿真结果表明,星载激光微推进器可满足在轨微小卫星的高控制精度姿态调整、近地观测轨道维持以及较长时间要求的轨道转移等空间任务对推进系统的要求。