线性相对运动的正切拦截和正切交会轨道研究

针对冲量方向与追踪器速度方向相同的正切轨道问题,用线性相对运动方程研究了正切于初始轨道和正切于目标轨道的共面轨道拦截和轨道交会问题。得到初始和终端时刻的相对速度向量的解析表达式,定义了两个关于目标真近点角的单变量函数,于是正切拦截和正切交会问题等价于这两个函数分别等于零,最后用割线法求解这两个函数的数值解。根据能量最优要求,考虑初始漂移段,分析了一个周期内的最佳初始正切冲量点。仿真结果校验了本文提出的方法。     

空间拦截轨道快速规划研究

基于冲量变轨理论,针对追踪器通过一次变轨机动对目标的拦截,以普适变量法进行快速轨道规划,给出轨道规划算法及流程.仿真结果表明:该法可快速确定追踪区,并得到最小燃耗对应的变轨点,方法简单,易于实现.     

访问多个特定相对位置的航天器轨道设计

在航天器轨道设计问题中,将惯性空间中经典的吉布斯三矢量定轨方法拓展到相对运动空间中,给出了一种相对运动条件下的三矢量定轨方法。针对已知轨道的目标航天器,以及二个或三个给定的空间相对位置,基于相对运动方程,提出了设计跟随航天器飞行轨道的数值方法。以轨道面共面或异面,以及目标航天器轨道形状为椭圆或圆,将问题分为四种情况进行约束条件和自由变量个数的分析讨论。对于自由变量个数多于约束方程的情况,额外给定周期重访约束,将各种情况下的特定相对位置访问问题转化为一至二维的非线性方程(组)求解问题。对一维方程求解采用分段黄金分割+割线法进行快速求解;对二维方程组通过网格法搜索迭代初值并通过牛顿迭代快速求解。进一步基于线性模型的解,采用微分修正方法求解了各情况下J2摄动模型下的结果。数值算例验证了提出方法的正确性及有效性。     

基于模糊推理的基向量曲线求解方法

基向量法是求解近圆轨道间固定时间最优交会的一种几何方法。针对基向量法中最优解的基向量曲线的求解问题，提出一种基于模糊推理的求解方法，使得基向量法的整个求解过程可以脱离人工干预完全由计算机完成，从而使基向量法求解的效率有了本质上的提高。通过对四冲量固定时间最优交会问题的求解实例表明该方法的有效性和实用性。     

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。     

自主交会对接绕飞轨道的双冲量控制改进算法

绕飞轨道控制是追踪器与非合作目标进行自主交会对接的关键技术。本文针对同轨道平面的绕飞问题,根据双冲量轨道逼近动力学特性,将绕飞轨道分解为两个逼近轨道,采用有摄动情况下双冲量轨道逼近改进算法实现绕飞轨道控制。绕飞控制时,在轨道误差范围内,数次冲量累计同时施加,减少由于单次冲量小而造成的较大相对误差。最后进行了数学仿真,仿真结果表明该算法能实现绕飞轨道控制,具有设计简单、燃料消耗少的特点。     

卫星编队的多冲量轨道机动路径规划方法

基于多冲量轨道机动控制,研究应用微小推力发动机来实现卫星编队轨道机动控制的方法。首先简单介绍轨道机动控制的多冲量次优解的求解方法,并把此方法的改进算法应用于卫星编队的整体轨道机动控制;为降低单次冲量值,应用小推力发动机实现轨道机动,提出了卫星编队多冲量轨道机动的路径规划方法,这种方法把一个多冲量轨道机动过程分成多个来实现;最后,数值仿真结果表明:该方法简便、实用,可以解决单次冲量值过大而不易实现的问题,同时对于轨道摄动因素的影响具有鲁棒性。     

航天器交会两点边界值问题

从绝对运动和相对运动两方面讨论近地空间航天器交会中的两点边界值问题。其中，绝对运动涉及多圈Lambert问题，以Lagrange时间方程为研究工具，而相对运动Lambert问题应用C—W线性解。对圆轨道之间的双冲量转移，给定转移角与转移时间，研究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多圈转移的工程图解法，并从工程应用出发，在飞行时间约束下，按最小速度增量要求，阐述航天器交会两点之间飞行轨道（轨迹）设计方法。这种方法将飞行轨迹划分为初始漂移段、轨道转移段与终端停泊段三部分，应用两点边界值问题的解，选择两次冲量机动时刻，使速度增量之和最小。模拟算例表明，这种方法对航天器交会设计是适用的、有效的。     

考虑地球扁率效应的两圆轨道之间的双共切最优转移

两圆轨道之间的双共切转移轨道是其近地点和远地点分别在这两个圆轨道上的椭圆轨道。本文用两次冲量法给出了沿双共切椭圆轨道实现从一圆轨道向另一圆轨道转移的最优方案，并考虑到地球扁率造成的轨道摄动。文中的所谓圆轨道指的是变轨时刻的密切轨道为圆形的轨道，是对近圆轨道的近似替找。     

运载火箭推力故障下基于智能决策的在线轨迹重规划方法

为了提高运载火箭上升段飞行中推力故障下轨迹重规划的计算效率,提出了一种基于智能决策的在线轨迹重规划方法,将原问题转化为最优救援轨道的在线智能决策和成熟的燃料最优轨迹规划问题进行求解。通过离线求解不同故障状态对应的轨迹重规划问题,建立"故障状态-救援轨道"样本集,基于径向基神经网络建立最优救援轨道的决策模型,并将决策模型装订箭上。在实际飞行中以当前故障状态作为输入,利用决策模型可在线快速决策出最优救援轨道根数,进而求解以救援轨道为目标轨道的燃料最优轨迹规划问题,从而完成推力故障下的在线轨迹重规划。数值仿真表明,与直接求解轨迹重规划问题相比,该方法的计算效率提高了两个数量级以上,同时给出一致的最优救援轨迹。     

大范围轨道机动的燃料消耗优化方法

针对航天器大范围轨道交会提出了二冲量燃料最省机动方案的数值寻优算法及多冲量机动方案的啸声境遗传算法.利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确小生境遗传算法.利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确性进行了验证,通过仿真实验,比较了大范围交会轨道机动中不同冲量次数对总燃料消耗的影响,分析得出了非共面轨道交会机动时燃料最省的指导性方案.     

Particle swarm optimization applied to impulsive orbital transfers

The particle swarm optimization (PSO) technique is a population-based stochastic method developed in recent years and successfully applied in several fields of research. It mimics the unpredictable motion of bird flocks while searching for food, with the intent of determining the optimal values of the unknown parameters of the problem under consideration. At the end of the process, the best particle (i.e. the best solution with reference to the objective function) is expected to contain the globally optimal values of the unknown parameters. The central idea underlying the method is contained in the formula for velocity updating. This formula includes three terms with stochastic weights. This research applies the particle swarm optimization algorithm to the problem of optimizing impulsive orbital transfers. More specifically, the following problems are considered and solved with the PSO algorithm: (i) determination of the globally optimal two- and three-impulse transfer trajectories between two coplanar circular orbits; (ii) determination of the optimal transfer between two coplanar, elliptic orbits with arbitrary orientation; (iii) determination of the optimal two-impulse transfer between two circular, non-coplanar orbits; (iv) determination of the globally optimal two-impulse transfer between two non-coplanar elliptic orbits. Despite its intuitiveness and simplicity, the particle swarm optimization method proves to be capable of effectively solving the orbital transfer problems of interest with great numerical accuracy.     

Qualitative Properties of Orbits for Minimum-Fuel Impulsive Transfers between Circular Coplanar Orbits with a Given Launch Time

The coplanar problem of minimizing propellant consumption in impulsive transfer between circular boundary orbits is investigated. The launch time and the initial configuration of objects on the boundary orbits are specified arbitrarily. The qualitative properties of optimal two-impulse trajectories and their optimality in the class of multi-impulse transfers are studied.     

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。     

Six-impulse maneuvers for rendezvous of spacecraft in near-circular noncoplanar orbits

The problem of a rendezvous of two spacecraft in close near-circular noncoplanar orbits is considered. The angles of applying velocity impulses and their orientation are determined from necessary conditions of optimality derived using the basis vector theory. For non-degenerate six-impulse solutions the analytical formulas are found that approximate the dependence of moments of applying velocity impulses and angles determining their orientation on the rendezvous duration. The total characteristic velocity of six-impulse solutions (or five-impulse solutions derived from them) is compared to the total characteristic velocity obtained when solving the Lambert problem.     

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。     

小行星探测最优两脉冲交会轨道设计与分析

小行星探测已经成为新世纪深空探测的一个新热点和未来世界航天发展的一个新方向。转移轨道的设计和探测目标可接近性的分析是小行星探测的关键技术之一。现利用了任意两个非共面非共轴椭圆轨道之间的最优两脉冲转移方法，对我国提出的探测Ivar小行星的交会转移轨道进行了设计与分析，给出了全局最优两脉冲交会轨道的设计参数，并利用此方法对近地小行星的可接近性进行了分析和排序，给出了可接近性较好的40颗近地小行星的转移轨道设计参数。这些研究结果对于近地小行星探测任务的目标选择和发射机会的预测都有重要的参考价值。     

Biobjective planning of GEO debris removal mission with multiple servicing spacecrafts

The mission planning of GEO debris removal with multiple servicing spacecrafts (SScs) is studied in this paper. Specifically, the SScs are considered to be initially on the GEO belt, and they should rendezvous with debris of different orbital slots and different inclinations, remove them to the graveyard orbit and finally return to their initial locations. Three key problems should be resolved here: task assignment, mission sequence planning and transfer trajectory optimization for each SSc. The minimum-cost, two-impulse phasing maneuver is used for each rendezvous. The objective is to find a set of optimal planning schemes with minimum fuel cost and travel duration. Considering this mission as a hybrid optimal control problem, a mathematical model is proposed. A modified multi-objective particle swarm optimization is employed to address the model. Numerous examples are carried out to demonstrate the effectiveness of the model and solution method. In this paper, single-SSc and multiple-SSc scenarios with the same amount of fuel are compared. Numerous experiments indicate that for a definite GEO debris removal mission, that which alternative (single-SSc or multiple-SSc) is better (cost less fuel and consume less travel time) is determined by many factors. Although in some cases, multiple-SSc scenarios may perform worse than single-SSc scenarios, the extra costs are considered worth the gain in mission safety and robustness.