Fuel-optimal trajectories of aeroassisted orbital transfer withplane change

The fuel-optimal control problem arising in noncoplanar orbital transfer employing aeroassist technology is addressed. The mission involves the transfer from high Earth orbit to low Earth orbit with plane change. The complete maneuver consists of a deorbit impulse to inject a vehicle from a circular orbit to an elliptic orbit for atmospheric entry, a boost impulse at the exit from the atmosphere for the vehicle to attain a desired orbital altitude, and a reorbit impulse to circularize the path of the vehicle. In order to minimize the total fuel consumption, a performance index is chosen as the sum of the deorbit, boost, and reorbit impulses. The application of optimization principles leads to a nonlinear, two-point, boundary value problem, which is solved by a multiple shooting method     

负升力返回时航天器的再入走廊与轨迹研究

研究了较大升阻比航天器采用负升力返回时的再入走廊与最优轨迹，通过数字仿真并与正升力再入时的结果比较，得到结论：采用负升力再入时的返回走廊前１／３段比采用正升力的相应部分宽度有较大增加；离轨点所耗燃料质量与热防护系统质量之和较正升力再入时的情况有一定减少。由此可见，负升力再入概念在提高有效载荷上明显优越于正升力再入概念。     

近地小推力转移轨道的加权组合制导策略

 研究了近地小推力转移轨道的制导问题,给出了一种基于局部最优控制律的自主制导算法。推导出了各改进春分点根数对应的局部最优控制律;通过最优推力分配和目标偏差两个策略,对各局部最优控制律进行动态加权组合,从而有效减少了制导律的设计参数。在此基础上,针对燃料最省转移轨道,定义了一种新的发动机开关函数。采用遗传/逐次二次规划混合优化算法计算了最优制导参数。与传统算法相比,该制导算法是一种闭环制导算法,能够实现飞行器的自主制导,并且制导过程中无需对制导参数进行更新。以地球低轨到高轨的小推力转移为例,采用该方法分别求解了时间和燃料最省转移问题,并与传统算法进行了比较分析。数值结果验证了该算法的有效性。     

深空探测器运行轨道的基本性态

要成功地发射一个深空探测器进入目标轨道,相应的运行过程基本上涉及3个阶段:近地停泊轨道运行段、转移轨道的过渡段和进入目标天体的绕飞段。它们各自的运行状态和相应的数学模型有所差别,特别是转移轨道段的运行特征与绕飞段的卫星轨道的典型特征之间的重大差别,在深空探测任务中受到广泛的重视,如平动点利用中的晕(Halo)轨道和引力加速的节能过渡等。然而,就太阳系而言,这些不同轨道之间有一共同的基本性态,那就是都可以用在牛顿万有引力定律制约下的开普勒轨道(或变化的开普勒轨道)来刻画。本文将针对上述不同运行段轨道对应的数学模型、研究方法和结果,结合我们所做的工作进行综述。     

卫星编队队形保持非线性燃料次优控制

针对卫星编队飞行队形保持推导了一种利用相对轨道根数为反馈量的非线性燃料次优控制算法。该控制算法基于高斯型摄动方程采用Lyapunov控制,控制增益是时变的以便控制某轨道根数时对其余的轨道根数影响最小。这种控制算法接近于燃料最优,且可以调整增益系数来适应推力大小的不同情况。仿真结果表明,该控制方法是有效的,且相比其他的控制算法能够节省更多的燃料。     

绳系卫星轨道转移的最优控制

考虑系绳的弹性以及复杂状态和控制约束的作用,研究了绳系卫星面内轨道转移的最优控制问题。借助Gauss伪谱算法,将绳系卫星轨道转移的连续时间最优控制问题离散为大规模动态规划问题,进而利用非线性规划方法进行求解。通过数值模拟计算了子星最优转移轨道及最优控制力。结果表明:在满足相关约束的条件下,通过调节系绳张力可将子星从主星下方转移到上方的平衡位置,精确地实现子星轨道转移,并使得轨道转移过程呈现出良好的光滑性和对称性。最后基于协态映射定理对解的最优性进行了验证。     

电推进在静止轨道空间碎片减缓中的应用

研究了电推进在静止轨道空间碎片减缓中应用的可行性和效果。通过分析电推进中离子推进的技术特点、发展和应用,阐明了用电推进将静止轨道卫星在寿命末期移高到“垃圾轨道”是可行的。提出了电推进采用沿飞行方向的常值推力,以多次双脉冲变轨方式工作的方案,并通过仿真计算,得出了该方案中推力大小、工作时间、特征速度、燃料消耗量等参数的确定方法和量化性指标,验证了电推进应用在空间碎片减缓中的作用和效果。探讨了电推进以脉冲方式工作的工程实现方案．     

电动力缆绳离轨系统中绳索建模研究

 空间碎片对在轨运行航天器的安全构成重大威胁,使废弃卫星脱离原轨道进入大气层烧毁是减少空间碎片的有效途径。利用导电缆绳与地磁场相互作用产生的洛仑兹力使卫星特别是低地球轨道卫星的轨道高度快速衰减是一种很有应用前景的离轨方式。在研究电动力缆绳离轨的刚性杆模型基础上,建立了更符合电动力缆绳特性的柔索模型,并对刚性杆模型和柔索模型进行仿真。结果表明柔索模型能更精确地体现电动力缆绳的性质。     

基于速度增量的空间绳系机器人中距离逼近过程最优轨迹规划

针对空间绳系机器人中距离逼近过程最优轨迹规划问题,提出了基于速度增量的多目标逼近轨迹优化方法,优化指标为总速度增量及逼近时间。首先建立逼近过程相对动力学模型及最优逼近轨迹优化模型,然后利用改进型非劣分类遗传算法得到相对逼近距离1.5 km内逼近轨迹的Pareto最优解。仿真结果表明,该方法可以揭示空间绳系机器人逼近距离1.5 km内逼近时间、燃料消耗、相对目标的面内视界角及速度增量次数之间的相互关系,能满足针对不同任务需求提供相应最优轨迹的要求。     

交会对接任务碰撞规避策略制定研究简

针对交会对接任务目标飞行器与追踪器轨道运行特性,综合考虑规避策略计算方法与工程实际相结合的问题,提出高度规避、时间规避以及与正常轨控相结合的碰撞规避策略计算方法等三种空间目标碰撞规避策略计算方法.高度规避计算方法采用了Lambert飞行原理,用简化二体开普勒模型取代高精度轨道预报方法,迭代求解规避机动速度增量,实现了通过约束过交点与目标径向距离差得到速度增量的最优解;时间规避计算方法通过轨道周期与速度增量的关系,实现了通过约束过交点与目标的时间差得到速度增量的最优解;与正常轨控相结合的碰撞规避策略计算方法,在正常控制考虑冗余控制量的基础上,对控制策略的控制开始时间或沿迹方向的速度增量进行较小的修正,使两者通过碰撞点的时刻或径向距离错开,达到碰撞规避的目的,该方法不仅可以节省燃料、而且对任务的影响较小.通过对三种空间目标碰撞规避策略计算方法仿真分析结果表明,完全适用于交会对接任务,可为我国载人航天任务飞行安全提供技术保障.     

Tangling and instability effect analysis of initial in-plane/out-of-plane angles on electrodynamic tether deployment under gravity gradient

The space debris occupies the orbit resources greatly, which seriously threats the safety of spacecraft for its high risks of collisions. Many theories about space debris removal have been put forward in recent years. The Electro Dynamic Tether (EDT), which can be deployed under gravity gradient, is considered to be an effective method to remove debris in low orbit for its low power consumption. However, in order to generate sufficient Lorentz force, the EDT needs to be deployed to several kilometers, which increases the risks of tangling and the instability of the EDT system. In the deployment process, different initial in-plane/out-of-plane angles, caused by direction error at initial release or the initial selection of ejection, affect the motion of EDT system seriously. In order to solve these problems, firstly, this paper establishes the dynamic model of the EDT system. Then, based on the model, safety metrics of avoiding tangling and assessing system stability during EDT deployment stage are designed to quantitatively evaluate the EDT system security. Finally, several numerical simulations are established to determine the safety ranges of the initial in-plane/out-of-plane angles on the EDT deployment.     

基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道设计

针对地月空间货运任务和环月轨道空间设施建设任务,提出一种弹道逃逸和小推力捕获相结合的新型地月轨道转移模式,并建立了一整套该类型轨道设计方法。首先,在三体模型假设下分别建立地心弹道逃逸轨道和月心小推力捕获轨道的二维极坐标动力学模型。对于弹道逃逸轨道,将地心旋转系对准角和地月转移加速速度增量作为控制变量,提出初值估计解析公式,并应用序列二次规划算法进行快速求解。对于小推力捕获轨道,以月心距为参考量设置与弹道逃逸轨道的拼接点约束,提出能量匹配方法预估飞行时间,采用最优螺旋轨道的初始伴随状态解析式预估近月点伴随变量初值。基于混合法和轨道逆推思想,采用人工免疫算法进行小推力捕获轨道求解。仿真结果表明,基于弹道逃逸和小推力捕获的地月轨道转移方式大幅降低了近月制动燃料消耗,能快速穿越地球辐射带,且飞行时间适中;同时,提出的轨道设计方法能快速搜索到基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道,验证了该方法的有效性。     

基于伪谱方法的有限推力变轨策略研究

研究了有限推力条件下的空间飞行器大范围机动变轨问题。将有限推力解的求取过程分为两个步骤,首先采用Lambert方法求取变轨问题的双脉冲最优解,再采用Gauss伪谱方法求取有限推力解,将每个脉冲点扩展为一个推力弧段,通过伪谱方法将最优变轨问题转化为一个参数优化问题,采用非线性规划方法得到该推力弧段的变轨推力大小和方向。将该方法应用于某空间飞行器轨道机动变轨过程研究,取得了满意的结果,从而证明了方法的有效性。     

High-precision shape approximation low-thrust trajectory optimization method satisfying bi-objective index

The shape approximation method has been proven to be rapid and practicable in resolving low-thrust trajectory; however, it still faces the challenges of large deviation from the optimal solution and inability to satisfy the specific flight time and fuel mass constraints. In this paper, a modified shape approximation low-thrust model is presented, and a novel constrained optimization algorithm is developed to solve this problem. The proposed method aims at settling the bi-objective optimization o...     

Dynamics and de-spin control of massive target by single tethered space tug

This paper investigates the dynamics and de-spin control of a massive target by a single tethered space tug in the post-capture phase. The dynamic model of the tethered system is derived and simplified to a dimensionless form. Further, a decoupled PD controller is proposed, and the local stability of the controller is analyzed by linearization technique. Parametric studies of the dynamics and de-spin control of a massive target are conducted to characterize the dynamic process of de-spin with the proposed control law. It is shown that the massive target can be de-span by a single and small space tug with limited thrust within finite time. The thrust tangent with the tether de-spins the target while the thrust normal to the tether prevents the tether from winding up the target. The tether length has a positive contribution to the de-spin of a target. The longer tether leads to a faster de-spin process.     

空间绳系机器人逼近目标协调控制方法

 为了节省空间绳系机器人的末端执行装置在逼近目标卫星过程中推力器所使用的燃料,本文提出一种利用推力器、反作用轮及空间系绳的协调控制方法。首先利用二次型最优控制器(LQR)算法计算出末端执行装置逼近目标所需的理想轨道控制力,然后利用模拟退火算法将所需轨道控制力优化分配到推力器及空间系绳,同时利用时间延迟算法通过反作用轮补偿空间系绳产生的姿态干扰力矩。仿真结果表明,利用该协调控制方法能显著节省末端执行装置上推力器的燃料消耗,有效抑制空间系绳协调控制力产生的姿态干扰,使末端执行装置保持相对稳定的姿态。     

基于解析梯度的微推进转移轨道优化方法

 研究基于离散脉冲策略的行星际微推进转移轨道优化问题,为改善收敛性和计算效率,提出了一种解析的梯度矩阵计算方法。首先,基于离散脉冲思想建立了行星际微推进转移轨道优化模型,通过对速度脉冲矢量进行参数变换,避免了传统优化模型初值猜测和搜索域难以界定的缺点;然后,基于变分原理分析了离散脉冲模型中轨道状态转移矩阵与状态变分之间的关系,并给出了多种轨道特征条件下状态变分的计算方法,该方法可扩展到多次状态不连续情况;在此基础上,推导了离散脉冲轨道优化模型中性能指标与轨道约束对寻优参数梯度矩阵的解析表达式。以地球-火星的燃料最省微推进转移为例对所提解析梯度方法进行了仿真验证。数值结果表明：本文推导的解析梯度矩阵是正确的,与传统数值梯度计算方法相比,解析梯度矩阵可有效改善寻优算法的收敛特性,并能够提高计算效率约47%。     

航天器燃耗最优轨道直接/间接混合法延拓求解

针对转移时间和始末状态固定的航天器燃耗最优轨道的求解,给出了一种延拓方法:以双脉冲轨道为初值,首先求解全程推进轨道,然后逐步增加推力幅值,应用直接/间接混合法依次求解所有推力幅值下的、满足包括开关函数在内的所有必要条件的转移轨道,包括连续和脉冲推力轨道。通过基于开关函数曲线变化趋势的开关序列预设方法,以及基于已有优化结果的延拓步长自适应方案,实现了延拓方法的自动运行。为实现该延拓方法,给出了适用于改进春分点根数模型的脉冲最优转移轨道主矢量必要条件,推导了无推力轨道段改进春分点根数协态变量状态转移矩阵。通过3个算例对延拓求解会遇到的不同情况进行了具体说明。延拓方法可以看作现有直接/间接混合法的进一步完善与拓展,延拓过程和结果有助于对燃耗最优轨道与系统参数之间的关联获得更为深刻的认识。     

Novel orbit-attitude combination mode for solar power satellites to reduce mass and fuel

Solar power satellite receives great attention because it can release the energy crisis and environmental problems in the future. However, the launch and maintenance costs are tremendous due to the large system mass and large fuel consumption to counteract space perturbations. To reduce mass and fuel, a novel quasi-Sun-pointing attitude in Sun-frozen orbit is proposed. The Sun-frozen orbit has a nonzero eccentricity vector that always points towards the Sun. The quasi-Sun-pointing attitude is a periodic solution of the Sun-pointing attitude angle. Although about 3 % electricity must be given up because of the variation of Sun-pointing attitude angle, little control action is required to deal with the solar radiation pressure and gravity-gradient torque. The algorithm to obtain initial conditions is proposed. The influences of system parameters and structural flexibilities are studied. Simulation results reveal that the quasi-Sun-pointing attitude in Sun-frozen orbit dramatically reduce fuel consumption, the dry mass, and complexity of the control system. In addition, structural vibration is hardly induced by the gravity-gradient torque. Thus, the bending stiffness as well as the mass of the supporting structure can be reduced.     

红外与可见光图像融合的空间碎片识别方法

针对暗弱空间环境中空间碎片的识别问题,提出了一种光照不均匀环境中的空间碎片识别方法。不同于现有识别方案,该方法从光照不均匀导致空间碎片图像源细节丢失造成识别性能下降的角度出发,首先将空间碎片的红外和可见光图像进行深度融合,并建立空间碎片融合图像数据库,然后基于训练样本采用深度学习技术训练得到空间碎片识别模型。算法分析表明,该图像融合方案具有高度的细节保留能力,识别模型具有在暗弱环境中高精度目标识别能力。最后进行了仿真实验,实验结果表明,该识别方案在姿态变化、图像源亮度变化等干扰条件下都具有较好的鲁棒性。