有限推力航天器双主动交会的最优控制

研究了两异面椭圆轨道的有限推力航天器在协同轨道机动以完成交会任务(双主动交会)时的最优控制问题.构造了有限推力航天器双主动交会的数学模型,讨论了其实现最优控制的必要条件.针对推进剂总消耗最少和有限推进剂约束下的最短时间交会2种不同情况,采用直接配置法和序列二次规划法求解了反平方力场中的最优控制数值解.考察了不同初始参数对双主动交会最优控制历程的影响,并将双主动交会形式与主被动交会形式进行了对比.结果表明,当两航天器质量接近时,双主动交会在减少燃料消耗或缩短交会所需时间方面具有明显优势.     

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。     

基于改进配点法的最省燃料交会研究

基于改进的直接配点法,研究了有限推力最优交会控制问题。给出了有限推力交会的最优控制模型,将状态量和控制量离散化,节点间的状态量用五阶多项式表示,形成一系列代数约束,转化为一个非线性规划问题,用序列二次规划算法(SQP)求解参数最优化问题。对终端时刻自由的最省燃料交会问题的数值仿真结果表明:与直接配点法相比,改进配点法的精度较高。     

空间自主交会最优轨迹设计与跟踪控制

研究了基于最优交会轨迹的空间自主交会跟踪控制问题.根据应变能最小原则选取空间三次最优几何Hermite曲线作为交会参考轨迹,该参考轨迹在时间固定、端点及相应切矢量给定条件下应变能最小,且构造简单,光滑性好.针对空间交会模型的强耦合非线特性采用机器人控制中常用的计算力矩法设计参考轨迹跟踪控制器,实现了固定时间最优自主交会...     

空间交会对接的双脉冲最优控制

本文首先利用交会对接的固有动力学特性，施加第一脉冲推力使追踪器自动到达目标器位置；第二脉冲推力使两个飞行器相对速度降为零。本文根据双脉冲控制原理寻找燃料消耗最省的交会对接时间。最后通过大量数学仿真，比较各种初始条件下的交会对接动力学特性和燃料消耗。     

基于混合法和多打靶法的有限推力航天器协同交会优化

有限推力航天器的协同交会问题是一个高维非线性的最优控制问题,传统求解方法难以收敛到最优解或者时间花费巨大。采用混合法和多打靶法构造了有限推力航天器双主动交会的数学模型,讨论了其实现最优控制的必要条件,求解了反平方力场中的最优控制数值解。推进剂总消耗最少和有限推进剂约束下的最短时间交会2种不同的算例表明,这种方法可极大地提高收敛性,快速有效地求解有限推力航天器的协同交会问题。     

伴飞航天器燃料最优交会

应用遗传算法针对伴飞航天器由共面椭圆伴飞轨道不同位置出发，与中心航天器进行直接碰撞交会和软交会的燃料最优问题，进行了历遍求解。根据计算结果，应用多元线性回归分析得到了直接碰撞最优交会问题的解析解表达式。直接碰撞最优交会问题的解析解可作为软交会问题的次优解。     

混合推进最省燃料轨道设计方法

使用混合推进方式设计地-月圆型限制性三体模型下的最省燃料转移轨道。将化学发动机以及电推进发动机的燃料消耗总和作为目标函数进行优化,推导一阶必要条件和雅可比矩阵。选择从近地圆轨道出发到达地-月L1附近Halo轨道的转移轨道为例测试上述方法。仿真结果表明,相比发射脉冲固定的情况,混合推进方式进一步降低了燃料消耗,而且给出了飞行时间和燃料消耗不同的组合方式,给予任务设计更大的灵活性。     

交会对接近距离导引段的轨迹安全

建立了一套完整的交会对接近距离导引段轨迹安全的描述和计算方法,这种方法将交会对接近距离导引段的轨迹安全转化为追踪器相对位置误差的3σ椭球和目标器控制区域椭球的碰撞分析问题。描述了通过定义目标器的控制区域来提高交会对接安全性的基本思想,然后基于CW方程推导了相对状态和协方差矩阵的传播公式,并利用传播后的协方差矩阵推导了相对位置误差3σ椭球的表示公式。研究了任意两个椭球的接近分析问题,首先研究了点和椭球的最近距离计算问题,然后将这一结果应用到一个迭代过程来计算两个椭球之间的最近距离。最后,交会对接接近段的一个算例说明了本文所建立的轨迹安全计算方法的正确性。     

气动辅助空间交会最优轨道设计与闭环导引律

给出了同平面HEO-LEO实现空间交会的必要条件;研究了基于气动辅助轨道转移技术实现同平面HEO-LEO的空间交会方案,通过设计一条标准的同平面HEO-LEO气动辅助轨道转移的最优轨迹,得到了轨道转移飞行器(OTV)与目标实现交会必须满足的标准相角;最后对大气飞行段设计了非线性最优闭环导引律,通过引入Lyapunov最陡下降函数,对函数中相应参数进行适当调整,使应用闭环导引律得到的大气内飞行轨迹与最优轨迹充分接近,仿真结果表明该气动辅助空间交会方法正确、可行。     

遗传算法在航天器最优交会中的应用研究

针对航天器的最优交会问题 ,推导了航天器双冲量交会时的特征速度 ,以此为基础构造了以能量和时间为指标时的最优交会指标 ,并设计了与之相应的遗传算法。最后 ,对共面圆轨道双冲量交会情况进行了仿真计算 ,仿真结果表明 ,遗传算法的设计是成功的。     

飞船安全交会对接的最优控制律设计

本文考虑飞船与空间站交会对接时,最后逼近阶段中的安全控制问题,控制执行机构为常值推力的反作用推力器。采用分散最优控制方案,给出了一种近似时间-燃料最优的反馈开关控制律,仿真结果验证了此控制律的可行性。     

编队重构的双脉冲燃料最优控制

基于Hill方程导出了四种典型编队重构的双脉冲控制算法，并揭示了编队重构时具有如下性质：椭圆编队膨胀或收缩时，在燃料最优脉冲作用下伴随卫星期望的相对位置矢量与同一时刻不施加冲量时的相对位置矢量方向相同；不同膨胀系数时施加脉冲的时刻不变，最优的燃料消耗与膨胀变化量成正比；钟摆式编队膨胀时转移轨迹在参考轨道平面内是轴对称的。最后用仿真验证了算法的有效性。     

空间交会最终平移轨迹安全模式设计

追踪航天器在制导机动失效后的飞行轨迹的安全性,是最终平移段标称轨迹设计的主要依据。被动安全模式设定较低的逼近速度,可避免制导机动失效后两星碰撞,但飞行时间较长;主动安全模式设置避撞机动,确保制导机动失效后飞行安全,其逼近速度大于被动安全模式,可缩短飞行时间。本文以 V-bar逼近为例,对以目标航天器质心为中心的长方体飞行禁区与球形飞行禁区,给出被动安全模式与主动安全模式及其避撞机动的设计方法。     

空间交会中拉格朗日乘子法的工程应用

为解决工程中直接使用基于C-W方程的双脉冲法和拉格朗日乘子法时远距离导引精度低,以及分段导引过程复杂和可靠性降低等问题,设计了一种新的冲量计算方法。基于原方法适时引入当前状态和误差信息,继承了拉格朗日法运算简单的优点,并将原开环控制改为闭环控制。仿真结果表明,该法提高了导引精度,同时还充分利用多冲量法的特性实现了更大交会时间范围的燃料最优。     

空间交会N次推力机动状态方程及控制算法

N次推力是一种值得推荐的空间交会机动推力模式。本文从C-W方程出发，推导出准确的N次推力机动状态方程，以此为依据阐述并比较了近程导引段N次推力制导的两种控制算法。     

空间交会对接的智能控制

本文探讨了交会对接过程自动寻的阶段的智能控制策略及绕飞和最后逼近阶段的模糊控制问题,并针对实际条件给出了仿真结果,证明本文介绍的控制策略是可行的。     

准最优控制理论在航天器轨道交会中的应用

将准最优控制理论用于轨道自主快速交会时线性二次型调节器的设计。根据轨道交会动力学和基于线性二次型最优控制律的轨道交会优化,提出了一种线性二次型准最优控制器的设计,并证明了系统的稳定性。理论分析和仿真结果表明,该控制律的交会精度较高、计算量小,可实现轨道交会控制的自主性和快速性。