偏心航天器有限推力姿轨耦合控制

针对偏心航天器存在大轨控推力偏心以及轨控推力大小不可调节的问题,提出一种有限推力轨道与姿态控制方案.该轨道控制方案可以同时控制多个轨道要素.轨道控制中将控制量设计为推力角,解决轨控推力大小不可调节的问题.设计姿态控制方案对轨控所期望的推力角进行跟踪,并考虑轨控推力偏心形成的大干扰力矩.针对大干扰问题对传统的渐近稳定姿态控制律进行了改进,从而利用三轴姿态的耦合关系抵消干扰力矩的影响.通过数值仿真验证了轨道姿态控制方案的有效性.

基于遗传算法的有限推力轨道拦截优化研究

遗传算法是一种具有通用性、鲁棒性及全局最优性等优点的自适应优化技术。文中建立了空间飞行器的有限推力轨道拦截数学模型,并以空间飞行器燃料消耗最小为优化目标函数,运用遗传算法对空间飞行器的拦截变轨参数进行了优化设计。为了解决轨道拦截这一多约束优化问题,在遗传算法中引入了罚函数方法,并通过动态改变算法参数来改进优化的收敛性。在对低地球轨道目标的拦截仿真中,选择发动机燃料质量秒耗量、推力作用方向和作用时间为优化参数,仿真结果证明了该方法在带约束有限推力轨道拦截优化中的有效性。

能量最省有限推力同平面轨道转移

本文从能量最省的角度应用极大值原理对空间飞行器采用有限推力同平面轨道转移的情况进行了分析和研究,得到了最优转移轨道及最优控制的求解条件。为了减少在解决两点边值问题时因伴随变量带来的困难,讨论了避免直接应用横截条件的非线性规划方法。并利用伴随变量与控制变量的转换关系,用控制变量的初始值来代替伴随变量的初始值,使得迭代初值具有物理意义而容易选取。应用这一思想给出了计算实例。

有限推力下的航天器绕飞轨道保持与控制

基于线性动力学模型,研究了有限推力下的航天器绕飞轨道保持与控制问题.首先,针对绕飞轨道控制问题推导了精确的动力学模型,给出了经过线性化的动力学方程.然后,在线性二次性最优控制理论的基础上,设计了一种针对绕飞轨道的反馈控制系统,同时为了实现有限推力,设计了一个有界的非线性环节对控制加速度进行限制.数值仿真结果证明了所设计的控制系统渐进稳定、收敛快速,并且具有良好的控制精度.最后,通过计算不同相对位置误差时轨道控制系统需用的发动机工作时间,估算了轨道维持与轨道控制的燃料消耗量.

航天器有限推力轨道转移的轨迹优化方法

为使小推力发动机航天器在航行中实现轨道快速机动并有效节省燃料,提出了基于拟谱法的航天器轨道转移轨迹优化方法.采用改进的赤道轨道根数,基于高斯动力学方程建立了航天器轨道转移过程的数学模型,克服了经典轨道根数当偏心率为0,或者轨道倾角为0°或90°时的奇异问题,给出了航天器轨道转移燃料最优性能指标函数以及终端约束和路径约束条件;采用拟谱法,将原始的连续最优控制问题转化为非线性规划问题;利用SNOPT(sparse nonlinear optimizer)算法求解最优轨迹,并提出了具体设计步骤和方法.仿真结果表明:与fmincon优化方法相比,发动机最大推力为20 N时,本文的优化方法寻优时间减少61%,节省燃料18%.

基于伪光谱方法的有限推力轨道转移优化设计

研究了伪光谱方法在空间飞行器有限推力轨道转移最优化问题中的应用。首先给出了空间飞行器轨道转移最优化控制问题模型,其中运动方程为三自由度模型,性能指标选为轨道转移过程中燃料消耗最小,控制变量为推力攻角。终端状态受到航迹角、高度和速度的约束。然后,应用伪光谱方法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,即将动态优化问题转化为静态参数最优化问题。选取各配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用基于Matlab语言的SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解,该软件包对于求解大型非线性规划问题具有很好的收敛性。仿真结果表明伪光谱方法对于空间飞行器转移轨道初始参数取值不敏感,具有一定的鲁棒性,生成的轨道能够较好地满足各种约束条件。因此,伪光谱方法对于空间飞行器有限推力轨道转移问题的求解是可行的。

摄动情况下有限推力轨道转移与交会联合优化

远程轨道转移与近程交会是空间交会任务的2个重要阶段,前后衔接,但研究模型不同,任务约束要求差异很大,经常只能分别优化设计。研究摄动情况下的有限推力轨道转移与交会联合优化设计问题,建立了精确的有限推力轨道转移和空间交会模型,推力幅值恒定,优化性能指标均为时间最短。采用Gauss伪谱法将2个最优控制问题分别转化为非线性规划(nonlinear programming,NLP)问题,再建立其联系,构建成一个NLP问题,获得整体优化。最后,通过一个仿真算例,验证了有限推力异面轨道转移与空间交会联合优化。求解过程和结果表明,该方法对初值敏感度小、鲁棒性强、收敛快,满足各类约束条件,能为相关的多阶段整体优化问题求解提供参考。

有限推力轨迹优化问题的直接打靶法研究

研究了求解有限推力轨迹优化问题的直接打靶方法。说明了利用直接打靶法将最优轨迹问题转化为参数优化问题的基本转换方法 ;给出了状态和控制变量的等式 (或不等式 )约束的转化方法 ;从插值和数值积分两个方面对转换过程中产生的误差进行了深入分析。最后 ,以最优交会问题为例 。

基于交会概念的最省燃料共面有限推力轨道转移方法

基于交会概念研究了卫星在平面内的最省燃料有限推力轨道转移问题。假设有一个飞行器已经在目标轨道上运动,此飞行器称为虚拟卫星。发动机推力大小为常值,方向可调。提供了适合于同平面轨道转移的卫星相对运动动力学模型,用Pontryagin极大值原理导出了最省燃料的推力控制策略,建立了状态和共轭状态的初始边界条件。给出了两点边值问题的迭代变量与迭代算法。仿真例子考虑卫星由低圆轨道向同平面高圆轨道的小推力过渡,仿真结果验证了所提供方法的有效性。

用非线性规划求解有限推力最优交会

利用非线性规划方法研究了航天器的有限推力最优交会问题。这种方法利用了近年来发展起来的直接优化技术,用分段多项式来表示整个轨道的状态和控制向量,将最优控制问题转化为非线性规划问题。在应用这种方法时,先将整个轨道分为若干推力段和无推力段,然后利用配置方法产生推力段的约束段,利用状态转移矩阵来产生无推力段的约束。最后,对共面轨道情况下的交会进行了数值仿真,验证了方法的有效性和鲁棒性。

基于凸优化的有限推力远程转移轨迹优化

针对轨迹优化问题中动力学方程对凸优化方法的限制,建立了有限推力远程转移轨迹优化问题的凸优化问题模型,并提出一种迭代逼近算法,使得在每步迭代中状态矩阵保持为线性,从而实现了凸优化在远程轨迹优化中的应用,仿真分析证明了所提出的迭代逼近算法对优化问题的收敛性,所得轨迹迅速收敛至最优轨迹,并与最优控制序列所得实际轨迹保持一致。本文构建的凸优化问题模型及提出的迭代逼近算法对这类远程轨迹优化问题是可行的。

有限推力能量、燃料最优轨道转移控制

应用间接法研究了时间固定下的能量、燃料以及能量-燃料最优有限推力轨道转移控制问题。燃料最优问题因存在奇异性而不易处理,引入能量性能指标可以消除奇异性,应用ε算法寻求解决了燃料最优轨道转移问题。应用极小值原理,设计了最优控制器,应用单值打靶法研究了相应轨迹优化问题转化的两点边值问题。数值结果表明在相同推力、相同轨道转移时间条件下,三种最优控制方式得到的最优轨迹几乎相同;同时也表明给定初始和目标轨道,轨道转移任务消耗的燃料是确定的,推力大小只影响轨道转移的圈数。

基于任务规划的有限推力燃料最优交会

给出了空间交会冲量机动任务规划及基于该任务规划的有限推力燃料最优交会算法。首先,以双冲量空间交会作为问题的初步模型,采用Battin-Vaughan算法对追踪器初始位置和飞行时间的组合进行遍历计算,通过分析特征速度等值线图,进行空间交会的任务规划,为有限推力燃料最优交会提供重要的初值条件。基于任务规划分析,建立了有限推力燃料最优交会的最优控制模型,根据庞特里亚金极值原理将最优控制问题转化为两点边值问题,采用共轭梯度算法进行数值求解。在变轨时间固定、连续变推力的情况下,以总冲最小、满足终端位置和速度约束为指标,对推力大小和方向进行优化。通过数值仿真,得到了一些重要的结论,为工程应用提供了一定参考价值。

相对运动有限推力轨道控制

本文讨论在相对运动体制下,追踪飞行器的轨道控制问题。追踪飞行器轨道控制执行机构为常值推力的轨控发动机。文中给出了一种状态反馈开关控制逻辑,仿真结果验证了该控制逻辑的可行性。

有限推力航天器双主动交会的最优控制

研究了两异面椭圆轨道的有限推力航天器在协同轨道机动以完成交会任务(双主动交会)时的最优控制问题。构造了有限推力航天器双主动交会的数学模型,讨论了其实现最优控制的必要条件。针对推进剂总消耗最少和有限推进剂约束下的最短时间交会2种不同情况,采用直接配置法和序列二次规划法求解了反平方力场中的最优控制数值解。考察了不同初始参数对双主动交会最优控制历程的影响,并将双主动交会形式与主被动交会形式进行了对比。结果表明,当两航天器质量接近时,双主动交会在减少燃料消耗或缩短交会所需时间方面具有明显优势。

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。

有限推力椭圆轨道近距离拦截方法

针对椭圆轨道近距离飞行器确定时间最小能量拦截问题,研究了有限推力一次机动作用下的点火时刻以及发动机推力方向的确定方法。经典两点边值问题是在初始时刻施加速度脉冲,在固定时间达到要求位置。根据能量最优要求,给出了脉冲推力条件下的最佳点火时刻的确定方法,通常不是初始时刻。并证明了发动机推力方向始终对准速度增益方向时,所需能量最小。仿真结果表明选取最佳点火时刻可减小发动机工作时间,且速度增益制导方法可提高命中精度。

基于混合法和多打靶法的有限推力航天器协同交会优化(英文)

有限推力航天器的协同交会问题是一个高维非线性的最优控制问题,传统求解方法难以收敛到最优解或者时间花费巨大。采用混合法和多打靶法构造了有限推力航天器双主动交会的数学模型,讨论了其实现最优控制的必要条件,求解了反平方力场中的最优控制数值解。推进剂总消耗最少和有限推进剂约束下的最短时间交会2种不同的算例表明,这种方法可极大地提高收敛性,快速有效地求解有限推力航天器的协同交会问题。

基于Gauss伪谱法的有限推力轨道转移优化

研究了Gauss伪谱法在有限推力轨道转移优化问题中的应用。首先在消除奇点的拟春分点轨道要素的非奇异摄动方程基础上,选取性能指标为能量最优,控制变量为有限推力发动机加速度的3个分量;然后,利用Gauss伪谱法将最优控制问题转化为非线性规划问题,避开了求解两点边值问题的困难;最后给出了2个算例,分别计算了同面转移轨道和异面转移轨道的能量最优化转移。计算过程及结果表明本文所用方法对初值猜测敏感度较小,且平稳收敛,具有一定的鲁棒性,转移轨道平稳光滑,能够满足各种约束条件,便于对发动机进行控制,且在零倾角零偏心率轨道情况下不产生奇异。因此,Gauss伪谱法可用来求解轨道转移优化问题。

卫星轨道圆化的有限推力点火控制策略

本文研究卫星轨道圆化的点火控制策略，发动机推力为有限常值，方向可调。考虑了燃料消耗引起的质量损失。假设圆轨道上有一飞行器在运动，称为虚拟轨道器。只要卫星与虚拟轨道器软交会，就完成了轨道圆化。文中给出了使卫星与虚拟轨道器软交会的推力方向控制策略和点火位置与关车位置的求取方法。仿真结果表明，本文方法与水平推力策略和切向推力策略相比，具有更高的控制精度，而且燃料消耗接近最优。