大椭圆停泊轨道出发的小行星防御航天器轨道优化

提出了一种从大椭圆地球停泊轨道出发的近地小行星动能撞击航天器的轨道优化方法,基于遗传算法构造了以小行星偏转距离最大为目标,考虑时间、航天器燃料占比等非线性约束条件的优化模型。以小行星2019 PDC为对象,采用遗传算法优化得到了撞击航天器出发时刻和转移时间的最优解,计算了航天器大椭圆地球停泊轨道、地球逃逸轨道和行星际转移轨道段参数,同时采用遍历方法获取了小行星偏转距离与出发时刻、转移时间的Pork chop图,验证了优化算法的有效性。结果表明,所提出的动能撞击任务场景和轨道优化设计方法可有效处置直径百米量级、预警时间为数年的小行星。提出的任务轨道设计方法和处置场景可为近地小行星防御提供参考,可为进一步开展航天器轨道参数精确设计、实施工程在轨验证奠定基础。

安场页岩气井眼轨道优化与地质导向技术

随着安场向斜页岩气井开发的深入,对水平井组的井眼轨迹控制技术、井间井眼轨迹的防碰绕障、防碰分析、定向仪器工具的优选及地质导向技术均提出了更高的要求。为此,针对这些问题,从井眼轨迹控制技术方法、防碰绕障分析的方法、井眼轨迹控制技术和地质导向技术入手开展分析研究,形成了相关技术优化,为安场向斜页岩气井开发提供支撑。

深空轨道优化竞赛与我校研究生培养

简介全国轨道优化设计竞赛和第五届国际轨道优化竞赛(GTOC)及参赛一般过程,总结我校参赛队的差距与收获,思考该赛事对于我校研究生培养的意义,并对今后的参赛提出展望。

基于Gauss伪谱法和直接打靶法结合的月球定点着陆轨道优化

将一种求解最优控制问题的新方法—高斯伪谱法(Gauss Pseudospectral Method-GPM)和传统的直接打靶法有效结合,对月球着陆器定点软着陆轨道快速优化问题做出了研究。推导了高精度模型下着陆动力学方程。针对优化方法各自的特点和多约束条件下最优月球软着陆轨道设计的难点,提出了问题求解的串行优化策略:将控制变量和终端时间一同作为优化变量,同时离散控制变量与状态变量,取较少的Gauss节点,利用GPM求解初值,初值的求解采用从可行解到最优解的串行优化策略;在Gauss节点上离散控制变量,利用直接打靶法求解精确最优解。仿真结果表明,本文提出的轨道优化方法具有较强的鲁棒性和快速收敛性。

基于SQP方法的常推力月球软着陆轨道优化方法

月球软着陆是未来月球探测中的一项关键技术。针对这项技术,本文给出了一种基于SOP方法的常推力月球软着陆轨道优化方法。该方法通过将常推力月球软着陆轨道离散化,利用离散点处状态连续作为约束条件,把常推力月球软着陆轨道优化问题归结为一个非线性规划问题,对于此问题的求解,其初值均为有物理意义的状态和控制量,从而避免了采用传统优化方法在解决此优化问题时对没有物理意义变量初值的猜测。最后,利用SOP方法求解了此轨道优化问题。仿真计算结果表明这种离散化的方法应用于此轨道优化问题可以避免传统轨道优化方法对初值敏感的问题。

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。

基于凸优化理论的含约束月球定点着陆轨道优化

针对月球精确定点软着陆问题,考虑导航及障碍检测敏感器视场约束及制动发动机推力大小约束,对月球动力下降段轨道优化方法进行了研究。首先建立了含约束条件的三维定点软着陆轨道优化问题模型,根据庞德亚金极小值原理推导了最优推力开关方程,并给出了推力奇异区间不存在的证明。针对优化模型中的复杂非线性约束,引入凸优化理论将问题转化为二阶锥优化问题,并采用内点法求解了最优标称轨迹。最后给出了月球软着陆制动段、接近段的仿真结果,验证了该着陆轨道优化方法的有效性。

基于自适应模拟退火遗传算法的月球软着陆轨道优化

将自适应遗传算法与模拟退火算法相结合,形成一种自适应模拟退火遗传算法。该算法不但具备了自适应遗传算法的强大全局搜索能力,也拥有模拟退火算法的强大局部搜索能力。针对月球软着陆轨道优化的特点,利用一种新的参数化方法将轨道优化问题转换为非线性规划问题,并应用提出的自适应模拟退火遗传算法进行优化。数值结果表明:该算法的收敛速度快,优化精度高,且避免了初值敏感、病态梯度和局部收敛等问题,能够搜索到全局最优轨道。

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。

川东北河坝区块大斜度井轨道优化设计技术

中国石油化工股份有限公司川东北河坝区块大斜度定向井,在不同工况作业(如正常、滑动钻进、起下钻等)过程中都存在着造斜段轨迹控制难度大、施工摩擦阻力大等难题。为此,从井眼轨道设计入手,在系统分析常用轨道设计方法的基础上,得出除了查图法和作图法外,一般应采用解析法进行设计的认识,设计思路:首先根据给定设计条件求出不同轨迹关键参数,然后求出轨道节点数据,最后求出轨道分点数据。结合该区块大斜度定向井的特点,对轨道设计中的关键参数、轨道剖面类型等进行优化,优化设计原则:①轨迹设计必须满足地质靶点、中靶方位以及现场施工条件(如钻机型号、定向仪器等)的要求;②井眼轨迹几何形状最优化设计首先须满足常规导向钻具组合造斜率的要求、特定套管柱和井眼轨迹的相互适应性,其次要求轨迹最短、管柱的摩擦阻力相对最小,最后要求轨迹光滑过渡和井眼曲率均匀。优化设计的步骤:先根据地质参数(如靶点垂深、水平位移等)和工艺水平(如定向工具型号、性能等),对造斜点以下井段进行钻井方式和钻具组合设计,然后才能对大斜度井井眼轨道进行优化设计。将所形成的大斜度定向井轨道优化设计技术成果应用于HB1-1D等多口大斜度井钻井设计和施工作业中,均顺利实现了地质中靶和完井作业,为该区块后续部署井的轨道设计提供了依据。

基于遗传算法的卫星攻击轨道优化方法

在空间攻防与卫星对抗中,当目标卫星周围有若干小卫星以编队形式对其绕飞时,为使拦截卫星成功击中目标卫星,并且避开编队小卫星的防御区,必须对拦截卫星攻击轨道进行规划。寻找到一条既能满足安全性、快速性,又能节省燃料的最优路径。而利用经典数学规划方法,如序列二次规划方法,虽能寻找到最优路径,但并不适应于解决空间对抗中复杂攻防环境模型下的轨道规划问题。为此本文提出基于遗传算法的拦截卫星攻击轨道寻优方法。建立目标卫星编队小卫星的动态防御模型作为环境模型,采用可变长度实数编码方式,根据攻击轨道安全性、快速性、燃料消耗最少等要求建立综合适应度函数,并对遗传算子及置换运算方法进行设计。通过仿真验证,本文提出的轨道优化方法能够寻求到最优攻击路径,并且算法收敛速度较快。

基于多目标约束三维水平井轨道优化设计研究

三维水平井轨道设计由于轨道剖面复杂,利用常规设计方法难以在满足工程约束下实现轨道精确入靶,增加了设计难度。针对这一难题,提出了满足一定入靶精度的“直-增-稳-增扭-稳-水平段”五段制井眼轨道优化设计方法,以入靶精度和最短井深作为双优化目标,以造斜段造斜率和扭方位段全角变化率作为约束条件,建立了多目标约束的三维水平井轨道优化设计模型,并采用宽容分层法对模型进行求解。通过实例验证,结果表明提出的模型不仅满足设计井深最短,而且保证了入靶前扭方位段狗腿度较小,实现了三维水平井井眼轨道优化设计,降低了作业难度。

太阳系多目标探测轨道优化设计

将太阳系多目标探测的轨道优化设计问题转换成非线性规划问题,建立了轨道优化模型。针对非线性规划问题解的多峰性,设计了一种融合改进的网格搜索算法和差分进化算法的组合优化算法。利用改进的网格搜索算法以适当的步长寻找理想的发射窗口和各阶段转移时间,产生差分进化的初始群体,进而使用差分进化算法搜索初始群体附近的子空间,通过全局范围内的比较得到较理想的结果。最后以2018～2020年太阳系多目标探测为例,面向土星环绕探测任务完成了飞行中途探测太阳系多颗大行星的轨道优化设计。数值仿真结果表明上述算法对太阳系多目标探测轨道优化设计具有较好的通用性和应用参考价值。

登月软着陆轨道优化算法研究

月球软着陆轨道优化是月球探测中的关键技术之一,研究了基于燃料最优的定常推力月球探测器软着陆轨道优化问题。在优化算法中,首先对软着陆轨道动力学方程做归一化处理,经过将软着陆轨道离散化,应用函数逼近法拟合推力控制角,从而将轨道优化问题转化为参数优化问题,最后设计了蛙跳算法作为搜索优化方法。仿真结果表明设计的轨道较好地满足了所要求的约束条件,同时蛙跳算法具有很高的优化精度,并且应用比较简便,可以应用于登月软着陆的轨道优化设计任务。

遗传算法在星座多星接近轨道优化中的应用

以三颗非共轨的Walker星座卫星为研究对象,对航天器无需变轨与其接近的可能性进行研究.将Lambert方法得到的航天器轨道作为初始轨道,利用遗传算法对初始轨道进行优化.对初始轨道在参考时刻位置和速度的改变量进行编码,形成对应的种群.以航天器与星座卫星之间的最近距离为适应度函数,通过种群的繁殖得到优化结果.结合仿真算例,分析了最小二乘算法和遗传算法在轨道优化中的优劣以及接近过程中轨道摄动的影响.结果表明,遗传算法适用于所提出的轨道改进问题.研究结果可为单航天器无需变轨对星座多星接近问题提供理论依据.

飞行器的轨道优化与制导规律研究综述

飞行器的轨道优化与制导规律研究是飞行器设计的重要课题之一。轨道优化与制导规律研究是根据给定的技术指标 ,建立飞行器的运动方程 ,并选择主要设计参数 ,构造性能泛函 ,运用现代控制理论及数学理论原理求解最优参数 。

嫦娥三号软着陆轨道优化设计与研究

在嫦娥三号软着陆轨道优化设计中,以燃料最省和着陆安全为主要目标,结合实测数据和实际要求,对嫦娥三号软着陆过程进行分析,并对各阶段控制策略进行规划,运用MATLAB对嫦娥三号的着陆轨道进行了模拟优化设计,最终确立最优落月轨迹.通过建立误差分析和敏感性分析模型,对设计的着陆轨道和控制策略进行可行性分析,获得影响着陆器安全着陆的主要因素,为今后更深层次的月球探测和轨道优化提供理论依据和方法支持.

基于改进遗传算法的多脉冲交会轨道优化研究

最优空间多脉冲轨道交会是一个复杂的非线性系统。由于结构复杂,存在非线性特性,影响系统的快速性和实时性。建立最优空间多脉冲轨道交会模型,传统遗传算法不能满足要求,因此提出了在自适应遗传算法的基础上引入多位变异的多变异位自适应遗传算法,对空间多脉冲交会轨道优化进行了求解。多变异位自适应遗传算法增加了种群的多样性,可避免算法的早熟收敛现象。仿真结果表明,利用多位变异自适应遗传算法求解空间多脉冲交会轨道优化效果好,避免了早期收敛,提高了全局寻优能力,为多脉冲交会轨道优化提供了较好的方法。

基于地震解释资料的水平井轨道优化设计方法

常规轨道优化设计方法多以最短进尺(轨道长度)作为最快机械钻速和最低成本的核心目标函数,未考虑地层地质条件空间分布情况及其对钻时的影响,难以达成实际的优化期望。为此,从勘探钻井一体化设计角度,综合利用地层可钻性地震解释资料与工程设计经验,以页岩气井复杂地层常用的5段式水平井模型为例,建立了岩石可钻性级值与机械钻速的关系;同时基于多种群遗传算法,以最短钻时为优化目标进行了井身轨迹优化设计。分析结果表明:采用考虑地层因素的最短钻时井身轨道优化方法,可得到日费制合同模式中相对最优轨道设计方案,从而有效降低钻井时间成本。所得结论可为水平井井身轨迹优化设计提供参考。

第四届全国空间轨道设计竞赛与第六届国际全局轨道优化竞赛结果与排名

2012年6月至10月期间，第四届全国空间轨道设计竞赛与第六届国际全局轨道优化竞赛相继举行，在国内、国际掀起了空间轨道设计的研究热潮，今年的竞赛题目比起往届更具挑战性，并引出了更多新的设计方法以及可以进一步研究的问题，其中，第四届全国空间轨道设计竞赛题目已发表在《力学与实践》2012年第3期上[1]，这里对两次竞赛的结果与排名情况作一个简要报道。