小推力航天器逃离太阳系的引力辅助轨迹设计

针对太阳系边界探测,利用形函数轨迹优化算法快速生成连续小推力航天器引力辅助逃离太阳系的三维轨迹,实现在有限燃料条件下的超远距离探测。通过对比有无引力辅助设计的仿真结果,证明了引力辅助技术在逃离太阳系过程中的有效性。仿真结果表明,基于贝塞尔形函数方法的连续小推力轨迹优化算法可以高效地设计出引力辅助逃离太阳系的合理三维初始轨迹,对于初始探测任务的快速设计和分析具有重要意义。

基于EKF/PI滤波的小推力轨控期间自主导航算法

研究了以电推小推力作为主要的轨控推力来源的高轨卫星在轨控期间的自主导航算法。针对GNSS接收机在高轨的测速精度相对较差,以及轨控期间电推产生的推力较小,常规加速度计无法准确测量,从而导致在轨控期间自主导航精度下降的问题,提出了基于EKF+PI滤波的一体化自主导航算法。通过结合EKF滤波和PI滤波算法,经EKF滤波抑制GNSS接收机定位数据的测量白噪声,然后通过PI滤波估计电推加速度并反馈给EKF滤波算法,提高电推工作期间EKF算法的导航精度。仿真结果表明,基于EKF+PI滤波的一体化自主导航算法可以准确估计出电推加速度大小,同时可有效提高连续小推力轨控期间的自主导航精度。

多次行星借力的小推力飞行控制策略研究

针对小推力深空探测器采用多次行星借力的飞行控制策略优化问题,文章提出了一种将推进段作为整体与滑行段进行打靶拼接的方法,最大限度地减少了优化设计时的待优化参数个数.首先,文章给出了小推力飞行轨道的间接优化设计模型和基于B平面理论的行星借力模型.随后,建立了给定开关机时序条件下的小推力借力飞行控制策略优化模型;最后,采用遗传算法和序列二次规划算法循环对该模型进行优化求解,并以地球–金星–地球–木星小推力飞行轨道控制策略优化设计为例进行仿真分析,仿真结果验证了优化模型的正确性和有效性,表明本文的研究方法可对小推力多次行星借力飞行的控制策略进行优化设计.

基于高斯伪光谱的星际小推力转移轨道快速优化

针对星际小推力转移轨道优化问题,给出了一种基于高斯伪光谱配点的快速优化算法。首先,基于归一化的改进春分点根数建立了星际小推力转移轨道的优化模型;然后,采用高斯伪光谱配点策略对优化模型进行离散化处理,推力方向限制和天体星历分别作为路径约束和事件约束,将轨道优化问题转化为一个大规模多约束参数优化问题;在此基础上,基于高斯伪光谱的配点特性,推导出性能指标和约束方程的解析雅可比矩阵,保证了雅可比矩阵计算的准确性和效率;最后,以利用太阳能电推进探测火星和水星为例,对所给算法进行了数值验证。数值结果表明:高斯伪光谱方法可有效用于星际小推力轨道的优化问题,并且与数值差分相比,解析的雅可比矩阵算法可提高计算效率67.78%。

面向小推力变轨的天文组合自主导航方法

针对小行星探测任务对导航系统自主性强、实时性高的需求,研究了一种面向小推力变轨的天文组合自主导航方法。根据工程实践分析并建立了电推进变轨过程中的动力学模型,给出了天文测角测速组合的小行星探测自主导航方案。为克服小行星探测器推力的不确定性,提出了采用自适应交互式多模型无迹卡尔曼滤波(AIMM-UKF)算法,以较少的模型个数实现对导航系统状态的覆盖,克服了模型集合先验信息不准确对导航精度的影响,提高了组合导航系统的鲁棒性和抗干扰能力。最后,通过数学仿真对组合导航算法的性能进行了验证,结果表明本文提出的组合导航方法估计精度更高、计算消耗更小,可满足小行星探测工程任务对导航系统自主性、实时性和高精度的需求。

结合行星借力飞行技术的小推力转移轨道初始设计

针对结合行星借力和小推力技术的行星际转移轨道设计问题,提出一种基于形状逼近策略的初始设计方法。采用改进的逆六次多项式策略计算小推力弧段,通过引入B平面参数和推进器开关点时间系数实现行星借力和推滑混合轨道的拼接,将初始设计问题转化为求解混合整数非线性规划问题。为降低规划模型求解难度,通过参数变换对模型进行简化处理,并采用具有全局大范围搜索能力的改进微分进化算法求解最优设计参数。数值结果表明:相比正弦指数曲线设计方法,本文方法可以有效对交会型转移轨道进行设计,并且可以提供更少燃料消耗的探测机会。

小推力姿/轨控液体火箭发动机材料的研究进展

概述了国内外小推力姿/轨控液体火箭发动机新材料的研究和应用进展。姿/轨控液体火箭发动机推力室已从高性能铌/硅化物材料体系向复合材料推力室技术发展,研制出耐高温性能更好的新型材料体系和高温抗氧化涂层,以及将它们应用于发动机推力室的制造是提高姿/轨控发动机技术水平的有效途径。

多目标连续小推力深空探测器轨道全局优化

以燃料消耗量最小和飞越小行星最多为性能指标,对多目标连续小推力深空探测器轨道优化,给出了一种组合优化算法。该组合优化算法由全局优化和局部优化组成。全局优化为粗略设计,首先,利用动态规划法全局优化来确定探测系列,即确定从地球出发依次探索的各个小行星以及时间节点;利用静态参数优化算法(即穷举法),在一个大的搜索空间内全面搜索每段飞行轨道的发射窗口,同时,得到每段轨道次优飞行轨道及次优的控制律。然后利用共轭梯度法局部优化来求解每段轨道两点边值问题,获得最优的飞行轨道及最优的控制律。

小推力地球卫星圆轨道同轨调相设计方法研究

在研究小推力地球卫星圆轨道同轨调相任务设计问题的基础上,提出了一种半解析调相参数分析方法,并据此发展了一种高效的精确设计方法。首先,根据推力方向对卫星相位角的影响规律,采用推力方向假设和轨道平均技术推导了调相轨道参数满足的函数关系,通过微分修正可快速获得调相轨道的关键参数;然后,基于摄动轨道动力学模型,通过对控制量进行离散化建立了复杂约束条件下的燃料最省调相轨道设计模型,并以初始分析结果为初值,采用序列二次规划算法进行求解;最后,以地球同步轨道调相任务为例对所提方法进行了数值验证。数值仿真结果表明:提出的初始分析方法可为调相轨道设计提供合理的初值猜测,发展的鲁棒设计方法可有效用于摄动模型复杂约束下的小推力调相轨道设计。

基于形状的行星际小推力转移轨道初始设计方法

初始设计问题是行星际小推力转移轨道设计中的难点。本文在对逆多项式逼近方法进行改进基础上,提出一种星际小推力转移轨道初始设计方法。首先,通过分析逆多项式逼近轨道的动力学特性,推导了关键系数的可行取值范围;然后,基于改进的逆多项式逼近理论,通过对加速度约束进行处理,建立了一种简单有效的星际小推力轨道设计模型;最后,为高效可靠的获得最优设计参数,采用微分进化算法对轨道设计模型进行了寻优计算。该方法不仅避免了传统逆多项式逼近遗漏可行轨道的缺陷,并且设计参数少,能够为精确设计提供一组可靠的初始设计参数。仿真计算验证了该方法的有效性。

采用Gauss伪谱法的小推力日-火Halo轨道转移优化设计

针对日-地Halo轨道到日-火Halo轨道的小推力轨道转移问题,给出一种基于不变流形理论和Gauss伪谱法的优化设计方法。首先,在日心惯性坐标系中建立小推力轨道优化模型,并基于不变流形理论给出轨道转移中流形出口和入口的选择原则,应用该原则在日-地系统中选择流形出口,在日-火系统中选择流形入口,并将其作为轨道转移的初末状态;然后基于Gauss伪谱法将最优控制问题离散化为非线性规划(NLP)问题,并采用基于逆多项式的形状算法给出了NLP初值的计算方法;最后对该轨道转移问题进行了数学仿真。仿真结果表明:Gauss伪谱法可有效用于小推力日-火Halo轨道转移的优化,且采用逆多项式形状算法得到的初值具有初始误差小,使得NLP收敛速度快的特点。

连续小推力航天器的深空探测轨道优化方法综述

连续小推力作用下航天器的深空探测轨道的优化设计是一个存在大量局部最优解的全局优化问题.轨道设计流程总体上分为全局优化和局部优化.全局优化为粗略设计,通常在对航天器受连续推力作用下的轨道作近似处理的前提下大致确定探测序列和时间节点.局部优化方法可分为直接法、间接法和混合法.直接法是将连续的问题离散成一个参数优化问题.间接法是求解由变分法和极大值原理推导的满足一阶最优必要条件的两点或多点边值问题.混合法利用间接法推导的方程,再离散后优化求解.本文综述当前轨道优化设计领域最新和最常用的方法,分析各种方法的优缺点.

任意轨道要素冻结轨道的径向小推力控制策略研究

传统的冻结轨道对轨道参数的设计有较为苛刻的要求,这在一定程度上限制了冻结轨道的应用。利用轨道平均技术,得出了空间飞行器在J2项摄动影响下轨道要素的平均变化率,推导了空间飞行器在径向、横向和副法向常加速度作用下轨道要素的平均变化率,分析了空间飞行器在径向常加速度作用下近地点幅角变化率的特点,提出了采用径向小推力的任意轨道要素冻结轨道的两种控制策略。应用这两种控制策略,可以使任意轨道满足冻结条件,获得任意轨道要素冻结轨道。仿真计算表明提出的任意轨道要素冻结轨道的径向小推力控制策略是有效的。

基于退火遗传算法的小推力轨道优化问题研究

利用退火遗传算法解决小推力轨道优化问题。首先利用传统混合法将轨道优化问题归结为受非线性方程约束的参数优化问题。通过结合退火和随机惩罚函数对约束条件进行处理后,用遗传算法求解这个参数优化问题。最后再采用局部优化算法提高解的精度。这种算法既保持了传统混合法精度高、解轨线光滑的优点,又克服了传统轨道优化方法收敛性差、初始猜测困难、容易陷入局部极小解的缺点。在本文的最后,利用文中提出的轨道优化算法求解“喷-停-喷”型定常推力幅值地球-木星轨道转移问题。算例证明此算法可以有效地求解小推力轨道转移问题,尤其适用于传统轨道优化方法难以求解的复杂轨道优化问题。

月球卫星最优小推力变轨研究

对利用小推力发动机将月球探测器从双曲线轨道转移到圆轨道的燃料最省转移问题 ,进行了研究 .首先 ,将问题分解为从双曲线到椭圆的转移和从椭圆到目标圆轨道的转移两步 .然后 ,分别利用遗传算法解决了冲量假设下的最优转移、小推力加速情况下从双曲线到椭圆的转移轨道优化 ,以及转移时间有约束情况下的从椭圆到目标圆轨道的转移轨道优化问题 .

基于改进配点法的星际小推力轨道设计与优化

星际小推力转移轨道的设计与优化是深空探测研究中的关键技术之一.传统的标准配点法是求解问题非常有效的方法,但计算精度较低.针对双积分轨道动力学模型给出了改进配点算法,在不增加非线性规划问题约束的条件下,采用四阶Gauss-Labatto积分式处理系统微分方程,提高了配点法的计算精度.然后以地球-金星的燃料最省小推力转移轨道为例,分别采用标准配点法和改进配点法对其进行了优化设计,并分析比较了优化结果.数值计算结果验证了改进配点法的有效性.

地球-火星的燃料最省小推力转移轨道的设计与优化

小推力转移轨道的设计与优化一直是深空探测轨道设计方面的难点。针对这些问题,提出了一种基于等高线图的初始发射机会搜索方法,该方法通过绘制探测器-火星距离的等高线图寻找满足任务约束的小推力转移轨道发射机会;同时,本文还给出了一种小推力轨道的直接优化算法,该算法通过将连续的控制变量参数化,把轨道优化问题转化为参数优化问题,然后基于所提搜索方法,采用逐次二次规划方法进行求解。数值计算验证了该发射机会初值猜测方法和优化算法的有效性。

一种电推力器用小推力测量系统

为了精确测量小功率电推力器的小推力 ,从理论上提出了一种小推力测量的方法 ,即利用电磁反馈补偿方法使推力测量天平工作在随遇平衡状态 (或接近于随遇平衡状态 ) ,消除气路和电路连接的影响 ,电磁力反馈补偿推力器产生的推力。通过对电弧加热等离子体推力器 (Arcjet)的热实验 ,测量装置测量了不同工况下的推力值。实验证明此测量方法可准确测得电推力器工作的小推力。

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%。

基于人工免疫算法的地球-火星小推力转移轨道优化

利用人工免疫算法研究了地球-火星小推力转移轨道优化问题。首先针对地球-火星转移轨道的特点建立系统模型并进行归一化处理;然后通过参数化和罚函数将小推力轨道优化问题转化为非线性规划问题;最后提出一种引导型人工免疫算法(Guiding Artificial Immune Algorithm,GAIA)并对该优化问题进行寻优。仿真算例表明,该算法收敛速度快,寻优精度高,且避免了初值敏感、病态梯度和局部收敛等问题;同时验证了GAIA用于小推力轨道优化的有效性。