最优两脉冲行星际轨道转移优化算法

 研究了最优两脉冲轨道转移问题。以行星际飞行为背景,结合状态转移矩阵和古典变分理论,推导了两脉冲行星际轨道转移的性能指标对可调参数的解析偏导数,并利用这些解析偏导数提出了一种快速的两脉冲轨道转移优化算法。解决了传统两脉冲行星际转移轨道优化算法中存在的计算速度慢,无法控制计算精度的问题。最后,以地球-火星轨道转移为例,将提出的优化算法计算的结果与传统的“能量等高线法”的计算结果进行对比,验证了此算法的正确性和快速性。     

星际小推力转移轨道快速设计方法

 针对星际探测任务中燃料最省小推力转移轨道问题,提出一种基于标称轨道的快速设计方法。首先以具有相同端点时刻的无摄动标称轨道为参考,对传统的非线性轨道优化模型进行合理变换,将复杂的优化问题简化为可解的两点边值问题;然后基于标称轨道3个独立积分推导出解析的状态转移矩阵,并以此为基础导出了两点边值问题的最优解析解。该方法无需数值迭代,有效地克服了数值优化方法收敛性差、计算效率低的缺点。最后,以探测火星的小推力转移轨道为例对该方法进行了验证,与精确的数值结果相比,该方法计算的燃料消耗误差小于1%。     

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。     

嫦娥五号月球轨道交会导引策略设计

嫦娥五号任务实现了国际首次月球无人轨道交会对接，本文详细介绍了其最终飞控实施所采用的交会导引策略的设计模型、方法和工程实现考虑。讨论了嫦娥五号月球轨道交会任务的工程设计约束和关键参数的确定，提出了一种月球轨道交会的交班点确定方法。提出了一种新的四脉冲交会策略，通过引入径向变轨控制量，固定各次变轨点位置，解决了在月球背面测控遮挡约束下确保各次变轨全过程测控可见的工程难题。针对新四脉冲方案，采用近圆轨道偏差方程提出了一种新的初值求解方法，构造了基于微分修正的精确数值求解算法，并推导了求解所需的状态转移矩阵的解析表达形式。建立了测控约束下的交会导引约束优化模型，获得了测控约束下的最优能量解，并揭示了问题的全局特性规律。给出了所提出方法在嫦娥五号实际任务中的应用，验证了此方法的正确性。     

地月L2点空间站转移轨道设计与特性分析

针对低运输成本的未来地月L2点Halo轨道空间站补给任务轨道转移问题,研究了基于不变流形和月球借力的间接转移轨道设计方法及轨道参数特性。首先建立了三脉冲从近地停泊轨道出发到Halo轨道的间接转移轨道设计模型;然后提出了二体解析初值搜索和局部梯度优化相结合的串行优化方法,并采用圆型限制性三体问题模型验证了方法的正确性与快速性;最后,通过大量仿真算例分析了间接转移轨道参数特性。结果表明不变流形插入点相位和Halo轨道幅值对间接转移轨道燃料消耗影响较大,而月球借力高度影响则比较小。     

动能拦截器助推段导引方案研究

针对大气层外高速飞行的目标, 提出了一种可用于动能拦截器助推段的导引方法.建立了拦截器和目标的运动模型, 在分析可拦截约束条件的基础上推导出转移轨道计算方法, 同时通过对拦截器可发射区域中的转移轨道优化得到满足约束条件的有效发射区域, 并以点火时刻待增速度为性能指标来寻优计算获得发射参数.仿真结果表明, 该方法能有效实现拦截器助推段的制导控制.      

基于离散伴随方程求解梯度信息的若干问题研究

基于自主研发的大规模并行化结构化网格RANS求解器PMB3D,开展了黏性离散伴随方程构造、求解方法的研究与讨论。首先对离散伴随求解梯度的思想进行简要介绍,进一步对无黏项、人工黏性项、黏性项部分对离散伴随方程贡献以及变分推导进行了详细介绍;文中对离散伴随方程无黏项、黏性项边界条件实现形式进行了详细研究,并对关键模块变分推导的一些简化方式进行了研究讨论,通过典型宽体飞机标模、外压式超声速进气道算例,分析了所采用的简化处理方式对不同问题梯度求解精度的影响。最后在并行化求解、时间推进以及加速收敛方面进行了探讨、验证。数值模拟表明,文中采用的离散伴随方程形式更有利于程序化、模块化,梯度计算精度完全满足气动优化设计需要。     

基于卫星轨道软件平台的自主导航计算方法

为了增强卫星的自主生存能力,研究了基于卫星轨道软件平台的自主导航计算方法.通过星载导航部件获取导航参数,应用数值或解析方法进行自主导航计算,以实时获得精确的轨道参数.分析表明,本方法正确可行,具有较高的工程应用价值.     

地火转移轨道误差分析与第1次中途修正计算

针对地火转移过程中出现的各种误差,基于地火转移轨道的误差传递矩阵分析误差发散的性质,在此基础上讨论如何选取轨道中途修正的时机,并基于该矩阵对地火转移轨道第一次中途轨道修正的速度增量进行估算。与微分修正方法的严格计算结果的比较表明,基于该方法定性研究地火转移轨道第1次中途修正速度增量变化和选取合适的轨道机动时机是可行的。使用蒙特卡洛数值模拟对上述方法和微分修正方法进行计算和比较,结果表明,第1次中途修正速度增量大小差异不超过1.2m/s,相对误差不超过6%。在轨道控制精度大约为1m/s的情况下使用该方法代替微分修正方法进行计算,可以节省大量的计算时间。     

PPT小卫星轨道转移任务分析

针对CAST968小卫星平台,结合HY-1卫星,分析了该卫星轨道转移任务的应用需求;对比HY-1卫星采用的单组元肼推力器,指出了脉冲等离子体推力器（Pulsed Plasma Thruster,PPT）的应用特点;根据该卫星平台的外形和结构参数,对星上轨道转移PPT的数量和工作方式进行了初步设计;基于PPT的研究现状和推进能力,对PPT的轨道转移方案进行了论证分析,计算了相关的轨道转移参数。研究表明,PPT可以适用于微小卫星小能量轨道转移任务,与传统的化学轨道转移推进系统相比,优势较明显。     

行星际小推力轨道Lambert解及应用

 为提高行星际小推力转移轨道初始设计精度,提出了基于N次逆多项式逼近的半解析Lambert算法,并基于该算法发展了一种转移轨道初始设计方法。首先,采用N次逆多项式近似小推力轨道形状,应用推力方向假设和位置速度边界条件推导出部分系数及推力大小解析式。接着,分析了飞行时间约束和轨道动力学约束下解的存在性,并给出了关键系数的可行域。然后,利用探测器质量消耗方程建立了Lambert问题求解模型并加以解决。最后,基于所提Lambert算法,通过对连续推力约束进行降维,提出一种求解多圈非固定时间的行星际小推力转移轨道初始设计方法。分别以固定和非固定时间转移任务为例对所提Lambert算法和初始轨道设计方法进行了数学仿真,数值结果表明：相比传统6阶方法,所提Lambert算法在目标轨道半长轴为5 AU时可减少速度增量需求36.63%;所提初始设计方法与最优化方法设计结果接近,可为转移轨道的精确设计提供可行的设计初值。     

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。     

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...     

小推力航天器的地月低能转移轨道

 在限制性四体模型下研究基于小推力方式的地月低能转移问题,通过借助于平动点轨道的相空间结构来揭示小推力转移的机理。重点研究了小推力转移自由飞行段的构造：经由LL₁点穿越获得最小能量的低能转移;而经由LL₁点Halo轨道穿越,得到(M,N)圈穿越轨道;由于Halo轨道相对于平动点增加了一维度的选择,根据(2,2)圈穿越轨道构造该转移的自由飞行段。在地球势阱逃逸和月球势阱捕获段,分别设计了合适的小推力的控制律及发动机开/关机时间,成功实施近地球段的小推力加速和近月球段的减速。尽管未对所得到的结果进行优化,所得转移轨道的燃料消耗也与类似边界条件的SMART-1轨道基本一致。     

Earth-moon Trajectory Optimization Using Solar Electric Propulsion

The optimization of the Earth-moon trajectory using solar electric propulsion is presented. A feasible method is proposed to optimize the transfer trajectory starting from a low Earth circular orbit (500 km altitude) to a low lunar circular orbit (200 km altitude). Due to the use of low-thrust solar electric propulsion, the entire transfer trajectory consists of hundreds or even thousands of orbital revolutions around the Earth and the moon. The Earth-orbit ascending (from low Earth orbit to high Earth orbit) and lunar descending (from high lunar orbit to low lunar orbit) trajectories in the presence of J2 perturbations and shadowing effect are computed by an analytic orbital averaging technique. A direct/indirect method is used to optimize the control steering for the trans-lunar trajectory segment, a segment from a high Earth orbit to a high lunar orbit, with a fixed thrust-coast-thrust engine sequence. For the trans-lunar trajectory segment, the equations of motion are expressed in the inertial coordinates about the Earth and the moon using a set of nonsingular equinoctial elements inclusive of the gravitational forces of the sun, the Earth, and the moon. By way of the analytic orbital averaging technique and the direct/indirect method, the Earth-moon transfer problem is converted to a parameter optimization problem, and the entire transfer trajectory is formulated and optimized in the form of a single nonlinear optimization problem with a small number of variables and constraints. Finally, an example of an Earth-moon transfer trajectory using solar electric propulsion is demonstrated.     

Direct Optimization of Low-thrust Many-revolution Earth-orbit Transfers

Low-thrust Earth-orbit transfers with 10^?5-order thrust-to-weight ratios involve a large number of orbital revolutions which poses a real challenge to trajectory optimization. This article develops a direct method to optimize minimum-time low-thrust many-revolution Earth-orbit transfers. A parameterized control law in each orbit, in the form of the true optimal control, is proposed, and the time history of the parameters governing the control law is interpolated through a finite number of nodal values. The orbital averaging method is used to significantly reduce the computational workload and the trajectory optimization is conducted based on the orbital averaging dynamics expressed by nonsingular equinoctial elements. Furthermore, Earth's shadowing and perturbation effects are taken into account. The optimal transfer problem is thus converted to the parameter optimization problem that can be solved by nonlinear programming. Taking advantage of the mapping between the parameterized control law and the Lyapunov control law, a technique is proposed to acquire good initial guesses for optimization variables, which results in enlarged convergence domain of the direct optimization method. Numerical examples of optimal Earth-orbit transfers are presented.     

小推力深空探测轨道全局优化设计

 针对小推力深空探测四维轨道优化设计,给出了一种组合优化算法,采用该算法基于二体模型进行了深空探测四维轨道全局优化。该组合优化算法由动态规划算法、静态参数优化算法与共轭梯度算法组成。动态规划算法和静态参数优化算法用以选择最优的发射窗口、返回窗口及相应的近似飞行轨道;基于该近似轨道方案,采用共轭梯度算法（解决两点边值问题）求解精确的最优轨道。通过大量的数值仿真计算,得到了航天器的全局最优飞行轨道,及相应的最优发射窗口与返回窗口。数值仿真结果表明,该组合优化算法对深空探测轨道优化具有良好的通用性和工程运用价值。