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。     

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。     

多约束下民机垂直轨迹优化方法研究

民用飞机的飞行轨迹计算过程需考虑包括不同飞行阶段、飞机性能、导航数据库、大气条件、风力预报、空域限制和机组操作限制等在内的多个因素的约束。本文以燃油消耗为研究对象,设计一种将垂直轨迹优化问题表述为多阶段最优控制问题的方法以解决多约束情况下的垂直轨迹优化问题。首先,建立解决垂直轨迹优化问题的多阶段模型,包括飞机三自由度运动方程、大气模型、气象模型和飞机性能模型等连续模型以及飞行阶段、空气动力学参数、导航数据库等离散模型。其次,采用Radau伪谱法将多阶段最优控制问题转化为非线性规划问题,并使用内点法对非线性规划问题进行参数求解。最后,分析了在标准进离场程序等多种约束下,以燃油消耗为优化目标的民航飞机飞行轨迹优化问题。仿真结果表明,该方法与实际油耗相比最多可减少5.45%的燃油。     

亚轨道飞行器再入可达域快速计算方法

再入可达域的快速准确计算,对于亚轨道飞行器可行着陆点的选择起着至关重要的作用.针对亚轨道再入可达域问题的特点,通过定义加权的横程、纵程组合性能指标函数,将可达域求解问题转化为组合性能指标最优的控制问题,采用求解精度高、收敛速度快的勒让德伪谱法快速计算得到再入可达域.仿真结果表明,该方法不仅能保持动力学模型精度,所得可达...     

基于hp自适应伪谱法的可调推力最优离轨研究

根据不同最优化指标要求,利用hp自适应伪谱法,对比分析了固定推力和可调推力制动离轨时的参数变化情况.通过研究发现,以燃料最省为优化指标,采用可调推力制动时,飞行器过渡段飞行时间更长,燃料消耗相对较小;而在时间最短指标要求下,可调推力制动虽消耗大量燃料,但能大大缩短过渡段飞行时间,有利于航天器在执行紧急任务时的快速返回.     

单OSV服务多卫星的转移轨道优化研究

利用混合法解决了有限推力作用下单OSV服务多卫星的转移轨道优化问题.首先从OSV携带燃料的角度出发,初步筛选出在其服务范围内的服务对象,基于双脉冲交会假设,确定了服务序列以及时间节点;其次针对每一段转移轨道,利用Pontryagin极小值原理推导出最优控制律,设定开-关-开的发动机工作方式,将初始协态变量和开关机时间进行参数化处理,采用遗传算法对非线性规划问题进行求解;最后对整条轨道进行拼接优化.仿真结果表明,混合法对协态变量初值猜测敏感性小,降低了搜索最优转移轨道的难度,且控制轨线光滑.     

基于hp自适应伪谱法的可调推力最优离轨研究

根据不同最优化指标要求,利用hp自适应伪谱法,对比分析了固定推力和可调推力制动离轨时的参数变化情况。通过研究发现,以燃料最省为优化指标,采用可调推力制动时,飞行器过渡段飞行时间更长,燃料消耗相对较小;而在时间最短指标要求下,可调推力制动虽消耗大量燃料,但能大大缩短过渡段飞行时间,有利于航天器在执行紧急任务时的快速返回。     

变比冲发动机作用下共面燃料最优轨道转移

以国外目前正在研制中的变比冲磁等离子体火箭发动机(VASIMR)为背景,研究了变比冲发动机作用下的同平面燃料最优轨道转移。推力方向角和比冲为控制变量,发动机总功率为常值,发动机可多次开关机。采用经典最优控制理论,运用庞德里亚金最小值原理将问题转化为两点边值问题,并通过非线性规划算法求解,得到了受精确开关函数控制的最优比冲时间历程。给出的VASIMR发动机应用算例结果表明,采用VA-SIMR发动机有益于提高航天器有效载荷所占比例。     

连续推力作用下卫星轨道的相对可达区域研究

在燃料一定的情况下,研究连续推力作用下卫星轨道的相对可达区域非常重要.通过对动力学模型的分析,将相对可达区域的计算转化为对最优控制问题的求解,通过对优化模型的分析,最终将最优控制问题的求解转化为对线性微分方程组的求解.给出了卫星轨道相对可达区域的确定方法,对不同燃料和时间限制情况下卫星的相对可达区域进行了计算、仿真和分...     

飞行器最优机动策略研究方法及进展

回顾了国内外最优机动策略研究的理论和方法,着重论述了近几年国内外的最优轨道机动策略问题的研究状况,比较了国内外的发展差别,讨论了轨道最优机动策略的发展趋势,为我国飞行器最优轨道机动策略研究方向提供了有意义的参考。     

高超声速飞行器末段轨迹快速优化

利用高斯伪谱法求解具有路径约束和落角、落速等终端约束条件下的高超声速飞行器末段轨迹优化问题.分析了不同LG节点数目对该问题求解精度和计算时间的影响,以及不同LG节点的拟合多项式与实际积分结果之间的相对误差关系.根据精度需要,选择合适的LG节点进行优化,分析了状态变量与积分结果的相对误差传播情况.仿真结果表明,采用节点分析后的高斯伪谱法在求解该问题上具有较高的计算精度和计算效率.     

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%。     

基于Gauss伪谱法的UCAV对地攻击武器投放轨迹规划

研究无人作战飞机(UCAV)在对地攻击阶段的武器投放轨迹规划问题.针对传统方法在处理复杂的飞行器运动学、动力学约束上存在的困难,提出了一种基于Gauss伪谱法(GPM)的求解策略.首先,为了最大程度地逼近实际飞行环境,对UCAV的气动力特性、发动机推力特性、油耗特性及大气环境特性进行了高精度拟合,并充分考虑了飞行器各种飞行性能约束和战场环境约束;其次,采用快速求解算法计算制导炸弹的可投放区(LAR)包络,将其作为终端约束来确保攻击的命中概率;然后利用GPM将轨迹规划问题转化为非线性规划问题,在此基础上采用序列二次规划(SQP)算法求得最优解.为了提升计算效率及降低初值设置的难度,设计了多步迭代优化策略.对时间最优和燃料最优轨迹优化问题进行了仿真验证,结果表明该方法能够以较高的精度和速度生成真实可行的最佳武器投放轨迹.