多冲量近程交会最优化模型

文章基于Lawden方程对椭圆参考轨道的近程最优交会问题进行了研究,并提出了一种混合遗传算法求解最优近程交会问题。首先在一定假设条件下给出了目标在椭圆参考轨道的近距离相对运动模型——Lawden方程,构建了多脉冲最优交会问题模型并进行了理论分析。性能指标选为轨道交会过程中燃料消耗和时间消耗加权最小的多目标优化指标,优化参数为脉冲大小和脉冲施加时刻,终端状态受到相对位置和相对速度的约束。然后介绍了具有较强全局和局部寻优能力的混合遗传算法。最后以四脉冲为例进行仿真计算。仿真结果表明,是否考虑第一次脉冲位置,总燃料消耗变化不明显。因此,追踪航天器一旦捕获到目标信息即可施加第一次脉冲。仿真结果还证明了混合遗传算法在求解最优交会问题时的有效性。因此,混合遗传算法对基于Lawden方程的椭圆参考轨道近程最优交会问题的求解可行。     

广义多圈Lambert算法求解多脉冲最优交会问题

基于一种高效高精度的Battin多圈Lambert算法提出一种考虑轨道摄动的广义多圈Lambert算法.与现有算法相比,本算法虽然原理复杂但计算流程非常简单,效率极高,分别通过几次内外循环就可满足精度要求.广义多圈Lambert算法结合一种可行解迭代交会模型构成了一个通用的多圈多脉冲交会规划框架,应用两步法求解此多变量的复杂工程优化问题,首先利用高效率的进化全局优化算法以及解析轨道模型作全局搜索,然后利用序列二次规划算法以及简化高精度轨道计算模型作局部搜索,此方法可以保证高效高精度的求解多圈多脉冲交会问题.算例表明此方法特别适用于满足实际工程约束的交会规划问题.     

飞行器轨道交会的H_∞次优控制问题

研究了近圆轨道上两个飞行器轨道交会的控制问题。通过对最优控制理论设计最优交会轨线的研究 ,提出了利用 H∞控制理论设计实际控制器的方法 ,给出了仿真结果 ,验证了这种方法的正确性。说明了该方法具有鲁棒的控制效果以及次优的轨道特性。     

空间交会V—bar接近冲量机动运动分析

从相对运动与绝对运动两方面全面阐述空间交会V—bar接近冲量机动变轨的运动规律。交会接近段的起点与终点为绝对运动转移轨道通径的两个端点，转移轨道半长轴略大于机动变轨前的轨道半径，转移轨道偏心率以及追踪星对目标星缩减的地心角取决于径向速度增量，并给出视界角设计方法。     

Rapid design and optimization of low-thrust rendezvous/interception trajectory for asteroid deflection missions

Asteroid deflection techniques are essential in order to protect the Earth from catastrophic impacts by hazardous asteroids. Rapid design and optimization of low-thrust rendezvous/interception trajectories is considered as one of the key technologies to successfully deflect potentially hazardous asteroids. In this paper, we address a general framework for the rapid design and optimization of low-thrust rendezvous/interception trajectories for future asteroid deflection missions. The design and optimization process includes three closely associated steps. Firstly, shape-based approaches and genetic algorithm (GA) are adopted to perform preliminary design, which provides a reasonable initial guess for subsequent accurate optimization. Secondly, Radau pseudospectral method is utilized to transcribe the low-thrust trajectory optimization problem into a discrete nonlinear programming (NLP) problem. Finally, sequential quadratic programming (SQP) is used to efficiently solve the nonlinear programming problem and obtain the optimal low-thrust rendezvous/interception trajectories. The rapid design and optimization algorithms developed in this paper are validated by three simulation cases with different performance indexes and boundary constraints.     

轨道维持与调相的综合优化策略研究

在交会对接飞行任务设计研究中必须首先确定目标航天器的轨道设计策略,研究了一种将目标航天器轨道维持和调相两种任务进行综合优化的策略.轨道维持的任务是使得目标航天器轨道的形状和位置符合交会要求,调相的任务是使目标航天器在轨道中的初始相位角符合交会要求.在考虑了交会对接发射窗口、交会终端约束条件下,将目标航天器轨道设计问题转化为一个非线性规划问题,应用序列二次规划方法对其进行了求解.仿真计算表明,这种方法既能以较少变轨次数满足交会对接任务要求,又能节省燃料,为空间交会对接任务规划提供了重要参考.     

Optimal two-impulse rendezvous with terminal tangent burn considering the trajectory constraints

The two-impulse orbital rendezvous problem with a terminal tangent burn between coplanar elliptical orbits is studied by considering a lower bound on perigee radius and an upper bound on apogee radius for the transfer orbit. This problem requires that two spacecraft arrive at the rendezvous point with the same arrival flight-path angle after the same flight time. The admissible range of the final true anomaly that meets the perigee and apogee constraints is obtained in closed form. The revolution number of the transfer orbit is expressed as a function of the true anomaly and the revolution numbers of the initial and final orbits. All the feasible solutions are obtained with a bound on the revolution number of the final orbit. Then, the minimum-fuel one is determined by comparing their costs. Finally, two numerical examples are provided to obtain all the feasible solutions for given initial impulse points and the optimal solution with the initial coasting arc. Numerical results show that the minimum-fuel solution for the terminal tangent burn rendezvous is close to that for the cotangent rendezvous when the rendezvous time is long enough; however, the cotangent rendezvous may not exist when the rendezvous time is short.     

火星探测器轨道运动建模的时空基准转换研究

火星探测的理论研究和工程实践需要一套便于描述火星探测器轨道运动的时空基准转换体系,环火星轨道的探测任务期间需要给出探测器以火星为基准的运动信息,而地面测控只能获得探测器以地球为基准的运动信息。为此,文章定义了一套新的以火星为基准的坐标系以及过渡到以地球为基准的坐标系,并给出了各坐标系转换的求解方法。最后,对以文中所提出的时空转换基准为基础建立的火星探测器轨道运动模型进行数值仿真,并将计算结果同STK进行了比较,验证了该时空转换体系的正确性。     

航天器交会中的Lambert问题

应用Lagrange转移时间方程研究空间交会中的Lambert问题,包括经典Lambert问题(飞行弧段不足一圈的椭圆型轨道转移)与多圈Lambert问题(飞行圈数超过一圈的轨道转移),阐述转移轨道的几何特性与转移轨道类型,分析转移时间与转移轨道参数及变轨速度增量之间的关系。对航天器交会中常用的圆轨道之间的双冲量转移,给定转移角与转移时间,阐述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轨道转移的图解法。对给定的初始分离角与交会时间,按最小变轨速度增量要求,确定航天器交会的初始漂移时间、双冲量轨道转移时间与终端停泊时间。     

基于T-H方程的多脉冲最优交会方法

针对椭圆参考轨道交会问题,采用T-H方程描述相对运动,提出了一种时间固定燃料最省的多脉冲最优交会方法,优化参数为交会脉冲及其施加时刻.当考虑到J2摄动或航天器初始相对距离较大时,用T-H方程进行状态预测其线性化误差一般不容忽略,而若用轨道积分预测则耗时较多,进而导致优化时间过长.针对此问题,提出一种采用前一优化脉冲节点的状态导出的轨道根数预测当前节点状态的预测方法.该方法简单实用,有效地加快了优化收敛速度.最后基于多脉冲优化解进行了数值轨道积分以验证交会精度.仿真结果表明,即使加上J2摄动,在初始相对距离为1 000 km时,该方法的终端位置精度仍能达到75 m.     

全电推进卫星轨道优化的推力同伦解法

全电推进卫星的入轨过程是一个典型的多圈小推力轨道优化问题,由于其推力器加速度小,变轨圈数多,造成其最优理论解的求解较困难。为解决该问题,利用最优控制理论建立了全电推进卫星变轨优化的间接法模型,将变轨优化问题转化为协态变量初值猜测的两点边值问题。从大推力问题开始,通过遗传算法获得大范围猜测值并结合系列二次规划方法获得大推力的精确解。采用推力同伦思想,使用逐渐缩小推力的方式完成小推力问题的求解。仿真算例表明,采用推力同伦的方法,通过数十次的推力缩减即可有效解决多达上百圈变轨的静止轨道全电推进卫星入轨优化问题。     

基于高斯伪谱法的火星表面上升燃耗最优轨迹设计

火星上升器的设计与其轨迹设计紧密相关,而现有方法大都将MAV(Mars Ascent Vehicle)的分级优化和轨迹优化解耦计算,其计算效率低且鲁棒性较差。提出了一种基于高斯伪谱法的两级MAV分级与轨迹耦合多阶段优化算法,它以MAV的发射总质量最小为目标函数,并考虑了MAV设计约束、MAV的质量模型约束、轨迹的路径约束和控制约束等限制条件。利用该方法可以同时求得发射总质量最小的两级MAV分级参数和一条燃耗最优的上升轨迹,解决了由于不合理的两级MAV分级设计导致的轨迹优化算法无法收敛的问题。数值仿真结果表明该方法具有较快的收敛速度,且对初值选取的敏感度较小、具有较强的鲁棒性。     

一种有限推力航天器交会轨道的鲁棒设计方法

基于C—W方程描述的二体相对运动模型,考虑利用范数有界方法刻画航天器交会过程中的参数不确定性,并结合控制推力受限的工程需要,提出了一种在不确定环境下有限推力航天器交会轨道的设计方法。通过构造Lyapunov函数,将此设计问题转化为一个具有线性矩阵不等式约束的凸优化问题,通过求解此问题即可设计出符合航天器交会要求的鲁棒状态反馈控制器。     

Mission analysis and performance comparison for an Advanced Solar Photon Thruster

The so-called “compound solar sail”, also known as “Solar Photon Thruster” (SPT), is a design concept, for which the two basic functions of the solar sail, namely light collection and thrust direction, are uncoupled. In this paper, we introduce a novel SPT concept, termed the Advanced Solar Photon Thruster (ASPT), which does not suffer from the simplified assumptions that have been made for the analysis of compound solar sails in previous studies. After having presented the equations that describe the force on the ASPT and after having performed a detailed design analysis, the performance of the ASPT with respect to the conventional flat solar sail (FSS) is investigated for three interplanetary mission scenarios: an Earth–Venus rendezvous, where the solar sail has to spiral towards the Sun, an Earth–Mars rendezvous, where the solar sail has to spiral away from the Sun, and an Earth-NEA rendezvous (to near-Earth asteroid 1996FG3), where a large change in orbital eccentricity is required. The investigated solar sails have realistic near-term characteristic accelerations between 0.1 and 0.2 mm/s². Our results show that an SPT is not superior to the flat solar sail unless very idealistic assumptions are made.     

燃料受限的时间最优多脉冲交会问题

主要研究了时间最优多脉冲交会问题中最优交会时间和最优脉冲数随各因素的变化规律.建立了考虑路径约束的数学模型,并利用遗传算法对问题进行了求解.在此基础上通过大量的数值计算研究了共面圆轨道间交会问题中各因素(包括轨道半径比、初始相位差、燃料以及路径约束)对最优交会时间和最优脉冲次数的影响,并总结出了最优交会时间和最优脉冲数随各因素的变化规律.根据最优交会时间随各因素变化的曲线较为"平缓"(均为单调或只有一个极值)的事实,指出可以利用较少的特征点通过插值的方法来快速求解最优交会策略.结论对于空间营救和在轨规避等实际任务的轨道设计具有一定的参考价值.     

无人火星取样返回任务关键环节分析

无人火星取样返回探测在科学成果获取和工程能力提升方面均具有重要意义,与国外已经多次实现的火星着陆巡视任务相比,其任务周期更长,技术风险更高。取样返回飞行方式决定了任务的系统顶层设计。通过对国外研究成果的对比论证,认为应当在火星轨道附近完成交会捕获与样品转移任务,因此需要采用2个不同功能探测器:一个完成火星捕获、样品转移收纳与火地返回;另一个完成火星大气进入、表面上升与样品投送。在此基础上对大气进入、起飞上升、火星轨道交会捕获、样品转移、地球再入等关键环节进行任务分析,论证主要技术难点和初步的可实现途径。     

基于时域映射的多无人机系统给定时间分布式最优集结

针对多无人机系统给定时间最优集结问题,建立了基于时域映射的分布式优化框架。首先,引入一类特殊的时域映射,将原时域的给定时间决策问题转化为了无限域中的渐近稳定问题,简化了分析设计流程。其次,进一步设计了给定时间梯度下降算法,其收敛时间与系统初始条件及其他参数无关,能够被预先给定,且算法时变增益的使用消除了参数选择过程,在全局信息严重匮乏的情况下仍然适用。仿真结果表明:所提方法能够在给定时间内实现多无人机分布式最优集结,并保证任务时间内闭环系统全局有界。      

Indirect optimization for finite thrust orbit transfer and cooperative rendezvous using an initial guess generator

In this paper, the finite thrust nonplanar transfer and cooperative rendezvous are investigated. The indirect method is adopted in the optimization process. The energy-optimal to fuel-optimal continuation is performed by using the homotopy method. An initial guess generator (IGG) is designed based on a simplified dynamical model to overcome the difficulty in providing the initial guess. Some reasonable simplifications on the dynamical model are applied based on the near-circular near-coplanar transfer. The initial guess can be obtained by analytically solving a system of linear equations. Therefore, the IGG has high computational efficiency. Moreover, the terminal time and state are estimated by IGG to deal with the cooperative rendezvous problem. Numerical examples are presented and the validity of the “IGG-Homotopy” combined algorithm is verified.     

空间交会中多圈Lambert变轨算法研究

用两个位置和飞行时间来决定轨道的问题 ,即Gauss问题 ,是航天动力学中的一个基本问题。而Lambert交会问题是Gauss问题在航天器空间交会领域的具体化。文中提出了一种新的算法 ,解决了航天器多圈Lambert变轨的求解问题 ,由此来寻求在飞行时间较长的情况下 ,航天器的Lambert交会燃料最优轨道 ;并由算例验证了这种算法的正确性和鲁棒性