Optimal trajectory and downlink power control for multi-type UAV aerial base stations

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) enabled Aerial Base Stations (UABSs) have been studied widely in future communications. However, there are a series of challenges such as interference management, trajectory design and resource allocation in the scenarios of multi-UAV networks. Besides, different performances among UABSs increase complexity and bring many challenges. In this paper, the joint downlink transmission power control and trajectory design problem in multi-type UABSs communication network is investigated. In order to satisfy the signal to interference plus noise power ratio of users, each UABS needs to adjust its position and transmission power. Based on the interactions among multiple communication links, a non-cooperative Mean-Field-Type Game (MFTG) is proposed to model the joint optimization problem. Then, a Nash equilibrium solution is solved by two steps: first, the users in the given area are clustered to get the initial deployment of the UABSs; second, the Mean-Field Q (MFQ)-learning algorithm is proposed to solve the discrete MFTG problem. Finally, the effectiveness of the approach is verified through the simulations, which simplifies the solution process and effectively reduces the energy consumption of each UABS.     

升力式火星探测器进入轨迹优化设计仿真

针对升力式火星探测器在其完成星际转移轨道之后,由预定进入点开始反冲制动改变运行轨道进入火星大气,设计并仿真了进入段的轨迹优化。根据火星的大气密度及引力场参数,建立相应的火星大气模型及引力场模型,确定了升力式火星探测器的运动方程。在满足进入过程的约束条件下,采用遗传算法对进入轨道进行优化设计,提出不同的推力发动机制动方案并进行分析比较。结果表明,采用推力方案二能够实现性能指标最优,并求得着陆速度为136m/s,最终实现了探测器在火星表面的软着陆。     

月球探测再入返回试验后续飞行方案研究

对于中国月球探测再入返回飞行试验的剩余推进剂,研究并设计了后续飞行方案。首先,基于月球探测再入返回飞行试验任务结束后的轨道和卫星状况,分析了可行的探测目标,确定了以日地月空间和相应平动点作为探测目标的后续飞行方案。其次,针对后续飞行方案中的轨道设计与控制需求,研究了平动点轨道直接转移入轨方法和不同系统的平动点轨道转移方法。相对于目前常见的基于不变流形的平动点转移轨道设计方法,文章方法无需进行大量的流形计算,因而计算步骤简单,计算量大大降低,尤其便于实际飞行任务应用。最后,设计了后续飞行方案的飞行轨道和相应的控制方案,同时分析了控制操作的地面测控条件。研究结果表明,基于月球探测再入返回飞行试验任务的剩余推进剂,完全可以在日地月空间开展多项具有创新性和重要应用价值的飞行试验验证,为我国后续"夸父"和月球探测等深空探测任务积累宝贵的测控技术和经验,同时为后续深空探测的"多目标多任务"设计思路提供有益借鉴。     

RLV末端能量管理段轨迹在线规划与制导

针对可重复使用飞行器（RLV）末端能量管理段利用数值优化算法在线规划轨迹的实时性无法保证,工程应用性差的问题,在末端能量管理段的航向调整段（HAC）轨迹前增加直线预测捕获段(PASL),并在该阶段提前完成末端区域能量管理(TAEM)段轨迹的在线规划,从而降低工程中对轨迹在线规划方法实时性的高要求。首先,通过求解零气动角下的质点运动方程解析解,得到直线预测捕获段结束点的飞行状态预测值作为TAEM段轨迹的初始点状态。然后,在线求解以航向调整段进入点飞行器航向角偏差最小为目标函数,以动压、过载和速度滚转角限制为约束的非线性规划问题,得到航向调整螺旋线中心的最优位置。最后,设计了以规划轨迹确定的标称气动角指令为前馈,以跟踪偏差的比例+微分律生成指令(PD)为反馈的TAEM段制导律。算例仿真校验了本文基于弹道预测的末端能量管理方法的有效性。     

信息集成在航天运输控制系统中的应用研究

文章从信息集成的角度提出四项一体化设计方法。制导与弹道的一体化设计,采用联立法实现用统一的架构解决复杂约束下飞行器自主动态轨迹规划问题。结果表明这种架构能够灵活处理各种约束条件并具有很高的控制精度,后续的重点是进一步提高计算效率。自检测BIT与地面测试的一体化设计,通过基于高速测量总线的窃听技术、基于模型和数据驱动的自动判读技术以及系统在回路的综合测试技术,实现快速发射和减少技术保障人员的目标,并已逐步开始应用。控制与测量系统的一体化设计,通过平台化的设计方案实现功能模块的集成、重用和重组,降低开发成本,避免重复投资。模型驱动的软硬件一体化设计,通过构建软硬件协同设计平台,实现算法、软件、硬件的并行设计和综合仿真,为系统方案的选择提供定量分析工具。上述信息集成技术为基础理论研究、系统实现和设计方法学等提供新的思路,提升控制系统的自主性和适应性,拓展控制系统的作用,增强快速反应能力,并能有效降低成本。     

电动帆航天器谷神星探测任务轨迹优化

针对电动帆航天器谷神星探测任务轨迹优化问题,提出一种基于高斯伪谱法和遗传算法的混合优化算法。为了验证所提出的混合优化算法有效性,并考察任务起始时间和电动帆特征加速度对探测任务的影响,进行了一定数量的数值仿真。仿真结果表明：电动帆航天器自地球至谷神星的飞行时间随着起始时间的变化呈周期性波动,波动周期基本与地球和谷神星的会合周期一致;电动帆航天器的特征加速度越小,完成过渡所需要的飞行时间越长,且一个具有中等特征加速度的电动帆航天器便能在可接受的时间内完成自地球至谷神星的过渡;所提出的混合优化算法是有效的,能够在无任何初值猜测的情况下完成电动帆航天器飞行轨迹的优化。     

Mission analysis and systems design of a near-term and far-term pole-sitter mission

This paper provides a detailed mission analysis and systems design of a near-term and far-term pole-sitter mission. The pole-sitter concept was previously introduced as a solution to the poor temporal resolution of polar observations from highly inclined, low Earth orbits and the poor high-latitude coverage from geostationary orbit. It considers a spacecraft that is continuously above either the north or south pole and, as such, can provide real-time, continuous and hemispherical coverage of the polar regions. Being on a non-Keplerian orbit, a continuous thrust is required to maintain the pole-sitter position. For this, two different propulsion strategies are proposed, which result in a near-term pole-sitter mission using solar electric propulsion (SEP) and a far-term pole-sitter mission where the SEP thruster is hybridized with a solar sail. For both propulsion strategies, minimum propellant pole-sitter orbits are designed. In order to maximize the spacecraft mass at the start of the operations phase of the mission, the transfer from Earth to the pole-sitter orbit is designed and optimized assuming either a Soyuz or an Ariane 5 launch. The maximized mass upon injection into the pole-sitter orbit is subsequently used in a detailed mass budget analysis that will allow for a trade-off between mission lifetime and payload mass capacity. Also, candidate payloads for a range of applications are investigated. Finally, transfers between north and south pole-sitter orbits are considered to overcome the limitations in observations due to the tilt of the Earth's rotational axis that causes the poles to be alternately situated in darkness. It will be shown that in some cases these transfers allow for propellant savings, enabling a further extension of the pole-sitter mission.     

基于Gauss伪谱法的助推-滑翔飞行器多阶段约束轨迹优化(英文)

在同时存在路径约束和边界条件时确定助推-滑翔飞行器的最优运动轨迹是近年来的热点问题。本文讨论了助推-滑翔飞行器的具有最大纵向航程和横向航程的两种最优轨迹。Gauss伪谱法是由Benson和Huntington提出的,在求解复杂的最优控制问题时有较快的收敛速度并能提供高精度的解。文中介绍了该方法并利用其将轨迹优化问题变换为可由NLP求解器进行数值求解的非线性规划问题。文中还介绍了其它相关的技术,例如端点控制的计算方法、处理包含奇异弧段的多阶段问题的处理方法、获得初始猜测值的方法和验证结果的方法等。仿真结果可以说明在给定的热流、过载和动压约束下最优轨迹的若干关键特性。通过优化和仿真计算,同时证明了此方法的实用性和有效性。     

基于多分辨率技术的滑翔飞行器轨迹优化算法

针对滑翔飞行器轨迹优化展开研究。采用了考虑地球扁率和自转的动力学模型,大气模型采用较精确的大气模型。滑翔式飞行器轨迹优化具有强非线性和多约束等特点,为克服传统优化方法对初始值较敏感且难以处理航路点等状态约束,同时在精度和计算速度之间取得一定的平衡,提出采用基于网格自适应的多分辨率技术对滑翔飞行器轨迹进行优化,并对航路点约束提出了相应的处理策略。针对包含航路点、禁飞区和终端约束的典型工程问题展开了轨迹优化研究。仿真实验表明,一条行程12400 km的滑翔弹道优化耗时约200 s,验证了该算法的有效性,对工程实践具有一定的参考意义。     

基于中低轨星座对弹道导弹监视的可探测模型

分析了中低轨卫星及星载红外传感器对导弹目标的可探测性因素,提出了几何可见、光学可见和设备可见的概念,建立了单星对导弹的可观测模型。对Walker-δ星座的3*7,7*3两种构型进行了仿真,讨论了传感器工作模式和作用距离的影响,以及可见率的数值特性,并演示了3个任务对单弹道接力跟踪的典型情形。