基于序优化理论的同步轨道入轨优化

基于序优化理论的多目标遗传(GA)算法,对小推力同步轨道卫星入轨控制方案设计与优化进行了研究.针对直接法中优化参数搜索范围大的缺点,提出了一种基于序优化理论的参数选定算法.给出了远地点变轨轨道控制优化方案,并利用序优化理论确定优化参数初始区间与约束关系.仿真结果表明:采用序优化算法可明显加快收敛速度,提高计算效率.对相同的GA参数设置,用序优化算法有可能得到比原来性能更好的子代,获得更理想的目标函数值.     

基于伪光谱方法的月球软着陆轨道快速优化

为了满足探月器软着陆过程中轨道实时生成的要求,研究了伪光谱方法在月球软着陆轨道优化设计中的应用。在模型处理方面,根据月球软着陆轨道的特征和优化算法的特点,对探月器软着陆轨道状态方程进行了合理的简化和转化处理,使其更适合优化数值算法求解。在算法方面,使用伪光谱方法将软着陆轨道优化问题转化为一个约束参数优化问题,并采用乘子法处理约束条件,采用变尺度法求解处理后的参数优化问题。最后,对基于伪光谱方法的月球软着陆轨道优化进行了数值仿真计算,并用极小值原理验证了仿真所得的轨道是最优轨道。结果表明,该优化处理方法具有收敛速度快、对初始控制量不敏感、鲁棒性强等优点。     

样条函数在轨道计算中的应用

提出了在已知现速度的情况下，用样条函数计算视加速度的新方法，避免了传统牛顿插值法的不可靠性及由此而产生轨道重构错误的缺点，仿真结果表明用样条函数法重构的轨道精度明显优于牛顿插值法。     

连续推力机动轨道优化设计的贝塞尔曲线法

提出一种基于贝塞尔曲线的平面机动轨道设计方法。该方法将贝塞尔曲线方程与轨道形状方程相结合，利用得到的复合函数作为轨道方程来对机动轨道进行数学描述；通过约束条件获得可行的机动轨道族，由控制点设计给出具体的优化变量，将累积速度增量作为优化指标函数；并利用优化算法完成参数优化，从而得到最优机动轨道。最后针对设计的机动轨道推力峰值较大的问题，进一步提出了分段贝塞尔曲线法，在降低推力峰值的同时，可进一步降低燃料消耗，并在平面机动转移轨道设计的基础上，通过梯度下降对自由控制点进行修正，解决了考虑时间约束的平面轨道交会问题。     

基于自适应小波配点法的水击数值计算

为了克服传统谱方法计算水击问题的数值振荡,选择具有紧支撑特性的样条小波代替传统的基函数,建立了一维流体运动方程的自适应小波配点计算格式,并对有摩擦和无摩擦的一维管路水击问题进行了数值计算,获得了水击波的传播过程。结果表明:小波配点法能够准确计算水击波的传播过程,在水击波波阵面处,不会因高分辨率出现剧烈的数值振荡现象,精度和分辨率可以同时提高;自适应算法能够自动捕捉水击波位置,并在水击波局部区域采用高分辨率计算,而在梯度较小区域降低分辨率计算,在保障精度和分辨率的前提下,显著节约计算量。     

地球-火星的燃料最省小推力转移轨道的设计与优化

小推力转移轨道的设计与优化一直是深空探测轨道设计方面的难点。针对这些问题，提出了一种基于等高线图的初始发射机会搜索方法，该方法通过绘制探测器一火星距离的等高线图寻找满足任务约束的小推力转移轨道发射机会；同时，本文还给出了一种小推力轨道的直接优化算法，该算法通过将连续的控制变量参数化，把轨道优化问题转化为参数优化问题，然后基于所提搜索方法，采用逐次二次规划方法进行求解。数值计算验证了该发射机会初值猜测方法和优化算法的有效性。     

太阳帆航天器的轨道动力学和轨道控制研究

研究了太阳帆轨道动力学和利用太阳帆推进实现非开普勒轨道的太阳帆控制问题 ,推导了Gauss形式的太阳帆探测器密切轨道六要素微分方程,分析了太阳帆的轨道控制设 计方法,描述了适合太阳帆姿态控制的执行机构。在此理论基础上以SPORT计划作为设计实 例,并进行了设计与仿真,实现了任务要求的目标轨道。     

太阳帆日心定点悬浮转移轨道设计

研究了太阳帆航天器日心定点悬浮轨道(HFDO)的转移轨道设计问题,以球坐标形式建立了太阳帆的动力学模型,基于该模型给出在日心悬浮轨道基础上实现定点悬浮的条件,提出了一种实现日心定点悬浮的转移轨道设计方法。首先,确定定点悬浮的位置;然后,设计经过该位置的绕日极轨轨道;最后,实施轨道减速实现定点悬浮,并给出了解析形式的轨道控制律。结合太阳极地观测任务,设计了定点悬浮在太阳北极1AU处的太阳帆转移轨道。仿真结果表明:该轨道转移方案总耗时3.5年,太阳帆定点到黄北极距日心1AU处,此后只要保持太阳光垂直照射帆面,即可维持稳定的悬浮状态。     

条带式太阳帆航天器的热致结构动力学响应

本文研究条带式太阳帆在近地轨道运行进出地球阴影时的热致结构动力学响应，建立了在太阳热辐射和光压共同作用下的太阳帆结构动力学方程，采用分布传递函数法，给出了条带式太阳帆热致结构稳态振动幅频响应的计算方法。算例结果表明：热辐射冲击是引起近地轨道太阳帆结构动力学响应的主要原因，光压引起的结构响应可忽略不计；增加桅杆壁厚不能有效抑制太阳帆的热致结构动态响应；增大阻尼，减小结构的热膨胀系数能够明显减小太阳帆热致结构响应的振幅；热致结构动态响应是设计大尺寸近地轨道太阳帆必须解决的问题。本文提出的方法可为太阳帆结构设计、姿态和轨道控制提供有力的分析工具。     

太阳帆参数对稳定性的影响

太阳帆的轨道和姿态控制是太阳帆研究的重要领域。在同时考虑太阳帆轨道和姿态的情况下,研究了太阳帆在悬浮轨道的被动稳定飞行问题。通过设计帆的面积和支撑有效载荷杆的长度,使太阳帆在轨被动稳定飞行,主要研究了两个参数对太阳帆稳定性的影响。研究结果表明,太阳帆的面积对帆的稳定性影响较大,面积较小时太阳帆总能被动稳定。杆的长度对帆的稳定性影响不大,给定杆的长度,通过设计太阳帆的面积总能使太阳帆被动稳定。     

航天测量船外测数据的滤波算法

航天测量船在航天测控中占有非常重要的地位,为提高航天测量船外测数据的光滑度,在小波滤波和样条函数滤波的基础上,通过建立分解尺度和阈值的选取原则,提出了船载外测数据的滤波算法.该算法在滤波的同时,成功地分离出随机误差和船摇修正残差,显著地改进了现有的船载外测数据修正结果.实例和仿真结果表明这是一种比较理想的船载外测数据滤波算法.     

Daubechies小波函数特征对MRTD算法的影响性分析

时域多分辨分析法（MRTD）是电磁场仿真计算的新方法,其核心是时频分析的小波函数问题。为提高MRTD方法的计算效率和精度,如何选择Daubechies(db)小波函数的消失矩和紧支度成为MRTD算法应用中有待解决的问题。首先给出了一种在介质基底有损耗的情况下计算微带线间串扰的三维MRTD数学模型。其次研究db小波尺度函数的紧支度、消失矩特性对于MRTD算法的计算精度和效率的影响问题。最后通过对比基于 db1~db4 四种小波基的MRTD算法对PCB电路板微带线间串扰的仿真结果,得到在相同精度下,基于db2小波函数的MRTD算法计算效率最高,在db小波簇中是最优的结论。
     

运载火箭飞行测量数据误差分析的小波方法

以提高火箭飞行跟踪测量数据处理精度为目的。结合弹道处理的实际，将小波理论运用于火箭弹道测最数据的分析。本文首先针对火箭飞行弹道测量数据的特征，应用小波理论建立了弹道测量数据事后误差分析处理方法的杠架模型，创建了雷达测量数据诸元的多项式和B样条时序分析模型，提出并验证了雷达测量数据的随机分布模型；其次，对受到噪声干扰时间段数据模型出现严重病态的情况，建立了基于多项式拟合和B样条函数选取有限时间段拟合的火箭弹道建模和预测的二次建模方法；最后，利用所提出的分析处理方法对某次任务两个测量站雷达弹道测量数据的分析，处理效果显著，精度理想。实验验证了上述方法是一种理想的弹道测量数据事后误差分析处理方法。     

航天器柔性太阳翼最优PPF主动振动抑制方法

针对采用可变速控制力矩陀螺(VSCMG)进行柔性太阳翼振动抑制问题,提出一种基于求解非光滑 H∞ 综合问题的最优参数正位置反馈(PPF)控制方法。首先,建立考虑VSCMG和柔性太阳翼耦合的振动模型,得到了线性化的约束陀螺柔性板动力学模型,基于同位控制思想推导了以角度陀螺为测量装置的约束陀螺柔性板全阶状态空间模型。针对被控对象特性,确定最优PPF控制器的结构构型和待优化参数。进而,通过对约束陀螺柔性板全阶状态空间模型进行降阶、修正和加权处理,将PPF控制器参数优化问题转化为在PPF控制器构型约束条件下的非光滑H∞综合问题,并应用一阶下降算法进行寻优求解,实现最优PPF控制器的设计。该方法能够实现对各阶陀螺模态的独立控制,在保证快速性和鲁棒性的前提下,实现最优PPF参数的稳定高效求解。仿真结果表明,所提出的最优PPF控制方法能够快速、鲁棒地实现航天器柔性太阳翼的主动振动抑制。     

Optimal control of the deployment process of solar wings on spacecraft

The optimal attitude control problem of spacecraft during the stretching process of solar wings is investigated in this paper. The dynamical equations of the nonholonomic system are derived from the conservation principle of the angular momentum of the multibody system. Attitude control of the spacecraft with internal motion is reduced to a nonholonomic motion planning problem. The spacecraft attitude control is transformed into the steering problem for a drift free control system. The optimal solution for steering a spacecraft with solar wings is presented. The controlled motion of spacecraft is simulated for two cases. The numerical results demonstrate the effectiveness of the optimal control approach.     

一种运载火箭上升段轨迹的高精度确定方法

针对运载火箭上升段轨迹建模问题,采用自由节点样条模型描述轨迹变化规律,将轨迹确定中的参数估计转化为对样条函数系数估计,从而大量减少待估参数个数,有效提高参数估计精度。在此基础上,提出利用遗传算法优选测量元素的方法。在基本遗传算法框架下,通过对测量元素进行染色体编码、构造基于加权排序的适应值函数以及设计改进的比例选择算子,对整个测量元素组合空间进行充分搜索寻优。利用典型上升段轨迹和布站对该方法进行数值仿真,结果表明,本文提出的新方法比现有方法的位置确定精度提高了92.0%~94.4%;在均采用自由节点样条模型进行融合轨迹确定时,新方法比典型测元融合解算的位置确定精度也提高了16.4%～88.6%。     

用太阳舵控制大型挠性体太空帆的控制方法

本文论述了一种用太阳舵控制大型挠性体太空帆的控制方法。介绍了太阳舵控制原理、控制方案,给出了控制规律,推导了解耦控制力矩方程。最后分析了挠性振动的稳定性控制。     

基于视线角四元数序列的视线角速率样条滤波

依据坐标系转换四元数与坐标系旋转角速度之间的关系，提出了基于视线角四元数序列的视线角速率自适应样条滤波算法。该算法利用样条函数表示视线角四元数，结合四元数与角度之间的对应关系，建立了系统状态方程；在只给出视线角序列信息的情况下，对观测误差进行了补偿，实现了自适应样条滤波算法，获得了有效的视线角速率信息。     

一种运载火箭时变结构模态参数辨识的确定性演化方法

针对运载火箭的时变结构模态参数辨识问题进行研究，基于时变自回归滑动平均(TARMA)模型，提出一种时变结构模态参数辨识的确定性演化方法。该方法利用小波基函数的良好局部函数拟合能力，将墨西哥帽小波函数作为TARMA模型时变系数的空间基底，构建了基于小波函数的泛函序列时变自回归滑动平均(FS-TARMA)模型，并发展了两步最小二乘估计方法，实现了时变系数的解耦估计。通过有限单元法，建立了阿里安V号芯级运载火箭时变有限元模型，对所提辨识方法进行了验证，结果表明：墨西哥帽小波基FS-TARMA方法能够有效地辨识系统的时变模态参数；与传统傅里叶基FS-TARMA方法相比，具有更好的辨识精度，并且能够准确地反映出模态局部细节特征。     

MESSENGER's use of solar sailing for cost and risk reduction

The MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry, and Ranging (MESSENGER) mission used six planetary gravity assists in order to enable capture into orbit about Mercury. A key element of MESSENGER's successful trajectory was achieving the proper gravity assist from each planetary flyby. The criticality of the MESSENGER gravity assists levied tight accuracy requirements on the planetary-flyby targeting. Major errors could have precluded Mercury orbit insertion or required modifications to the trajectory that increased mission complexity, cost, and risk by requiring additional Mercury flybys and extending mission duration. Throughout the mission, MESSENGER modified its strategy for achieving accurate planetary flybys. By using solar sailing, the MESSENGER team was able to eliminate all of the flyby approach maneuvers without sacrificing flyby accuracy, thereby saving mission ΔV margin. The elimination of these approach maneuvers also markedly reduced mission risk, as these approach maneuvers were nominally planned during a time of heightened sensitivity to errors and precluded unique flyby science opportunities. The paradigm shift used by MESSENGER may be useful for other interplanetary missions, particularly if their trajectories require gravity assists in the inner solar system.