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Fuel-Optimal Trajectory Planning for Lunar Vertical Landing
1
作者 Kun Wang Zheng Chen Jun Li 《Guidance, Navigation and Control》 2024年第2期123-140,共18页
In this paper we consider a trajectory planning problem arising from a lunar vertical landing with minimum fuel consumption.The vertical landing requirement is written as a final steering angle constraint,and a nonneg... In this paper we consider a trajectory planning problem arising from a lunar vertical landing with minimum fuel consumption.The vertical landing requirement is written as a final steering angle constraint,and a nonnegative regularization term is proposed to modify the cost functional.In this way,thefinal steering angle constraint will be inherently satisfied according to Pontryagin's Minimum Principle.As a result,the modified optimal steering angle has to be determined by solving a transcendental equation.To this end,a transforming procedure is employed,which allows forfinding the desired optimal steering angle by a simple bisection method.Consequently,the vertical landing trajectory can be found offline by the indirect shooting method.Finally,some numerical examples are presented to demonstrate and verify the developments of the paper. 展开更多
关键词 lunar exploration vertical soft landing final control constraint trajectory optimization indirect shooting method
原文传递
月面大范围空间机动初步优化
2
作者 任宽 申麟 +2 位作者 李扬 吴胜宝 胡冬生 《导弹与航天运载技术(中英文)》 CSCD 北大核心 2023年第1期52-58,共7页
月面大范围机动技术将是未来探索以及开发月球的关键技术之一,月面机动轨迹优化可以显著减少机动过程的燃料消耗。主要针对月面大范围机动轨迹进行初步优化,将整个机动轨迹分为上升段、自由漂浮段、第1次动力减速段、垂直动力着陆段,前... 月面大范围机动技术将是未来探索以及开发月球的关键技术之一,月面机动轨迹优化可以显著减少机动过程的燃料消耗。主要针对月面大范围机动轨迹进行初步优化,将整个机动轨迹分为上升段、自由漂浮段、第1次动力减速段、垂直动力着陆段,前面3个飞行阶段是对整个飞行任务的初制导,在达到飞行射程的同时使飞行终端满足垂直着陆段的降落要求,通过垂直着陆段修正初制导误差,使飞行器满足目标点精确着陆要求。首先,建立各个飞行阶段的运动学模型,将前3个飞行阶段作为一个轨迹优化问题,采用遗传优化算法对优化问题进行求解。另外,将垂直动力着陆段轨迹优化问题通过无损凸化和离散的方式转化为一个有限维的二阶锥凸问题,通过凸优化求解器求解以实现在线轨迹优化。仿真结果表明,采用的轨迹优化方法具有较高的任务适应性和鲁棒性,可以适应不同机动任务需求实现高精度垂直动力着陆。 展开更多
关键词 月面大范围机动技术 机动轨迹优化 垂直动力着陆 凸优化
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月球最优软着陆两点边值问题的数值解法 被引量:31
3
作者 王大轶 李铁寿 马兴瑞 《航天控制》 CSCD 北大核心 2000年第3期44-49,55,共7页
对于月球软着陆 ,燃耗最优是制导过程的基本要求。文中首先应用极大值原理设计了最优着陆制导控制律 ,此时求解最优轨迹变成一个两点边值问题(TPBVP)。本文利用一种基于初值猜测技术的打靶法求解这个两点边值问题 ,得到软着陆最优轨迹... 对于月球软着陆 ,燃耗最优是制导过程的基本要求。文中首先应用极大值原理设计了最优着陆制导控制律 ,此时求解最优轨迹变成一个两点边值问题(TPBVP)。本文利用一种基于初值猜测技术的打靶法求解这个两点边值问题 ,得到软着陆最优轨迹。结果表明该方法可有效改善迭代计算 。 展开更多
关键词 月球软着陆 最优轨迹 两点边值问题 tpbvp 月球探测 燃耗最优
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基于SQP方法的常推力月球软着陆轨道优化方法 被引量:35
4
作者 孙军伟 乔栋 崔平远 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2006年第1期99-102,112,共5页
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... 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。 展开更多
关键词 月球软着陆 常推力 轨道优化 SQP方法
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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 被引量:17
5
作者 彭祺擘 李海阳 +1 位作者 沈红新 唐国金 《国防科技大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第2期119-124,共6页
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... 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。 展开更多
关键词 高斯伪谱法 直接打靶法 月球定点着陆 轨道优化 月球着陆器
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基于混合法的月球软着陆轨迹优化 被引量:7
6
作者 彭坤 果琳丽 +2 位作者 向开恒 王平 徐世杰 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第7期910-915,共6页
利用混合法思想和人工免疫算法研究了月球软着陆轨迹优化问题.首先建立月球软着陆系统模型并进行归一化处理;然后基于混合法思想利用庞特亚金(Pontryagin)极大值原理推导最优控制律,以伴随变量初值和终端时刻作为优化变量,将终端约束作... 利用混合法思想和人工免疫算法研究了月球软着陆轨迹优化问题.首先建立月球软着陆系统模型并进行归一化处理;然后基于混合法思想利用庞特亚金(Pontryagin)极大值原理推导最优控制律,以伴随变量初值和终端时刻作为优化变量,将终端约束作为罚函数引入评价函数中,将月球软着陆轨迹优化问题转化为非线性规划问题(NLP,Nonlinear Programming);最后应用引导人工免疫算法(GAIA,Guiding Artificial Immune Algorithm)求解该优化问题.仿真结果表明,GAIA混合算法比直接法的寻优速度快,终端误差小,且可搜索到理论最优轨迹;同时,GAIA混合算法的伴随变量初值收敛范围比间接法大,降低了最优月球软着陆轨迹的搜索难度. 展开更多
关键词 月球软着陆 轨迹优化 最优控制 混合法 人工免疫算法
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月球最优软着陆两点边值问题的数值解法 被引量:18
7
作者 赵吉松 谷良贤 潘雷 《中国空间科学技术》 EI CSCD 北大核心 2009年第4期21-27,共7页
借助庞特里亚金最大值原理(Pontryagin′s Maximal Principle,PMP),将月球燃耗最优软着陆问题转化为终端时间自由型两点边值问题(Two Point Boundary Value Problem,TPBVP)。采用一种基于初值猜测技术的线性摄动法求解TPBVP,得到最优软... 借助庞特里亚金最大值原理(Pontryagin′s Maximal Principle,PMP),将月球燃耗最优软着陆问题转化为终端时间自由型两点边值问题(Two Point Boundary Value Problem,TPBVP)。采用一种基于初值猜测技术的线性摄动法求解TPBVP,得到最优软着陆轨迹。仿真结果表明,初值猜测技术得出的伴随变量初值均落在线性摄动法的收敛区间内,收敛速度快,优化精度高。最后研究了不同制动推力大小对软着陆性能的影响,结论为:增大制动发动机推力,既可缩短软着陆的时间,又能减少软着陆的燃料消耗。 展开更多
关键词 两点边值问题 线性摄动法 最优轨迹 月球软着陆 月球探测器
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基于伪光谱方法的月球软着陆轨道快速优化 被引量:16
8
作者 罗建军 王明光 袁建平 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第5期1119-1122,共4页
为了满足探月器软着陆过程中轨道实时生成的要求,研究了伪光谱方法在月球软着陆轨道优化设计中的应用。在模型处理方面,根据月球软着陆轨道的特征和优化算法的特点,对探月器软着陆轨道状态方程进行了合理的简化和转化处理,使其更适合优... 为了满足探月器软着陆过程中轨道实时生成的要求,研究了伪光谱方法在月球软着陆轨道优化设计中的应用。在模型处理方面,根据月球软着陆轨道的特征和优化算法的特点,对探月器软着陆轨道状态方程进行了合理的简化和转化处理,使其更适合优化数值算法求解。在算法方面,使用伪光谱方法将软着陆轨道优化问题转化为一个约束参数优化问题,并采用乘子法处理约束条件,采用变尺度法求解处理后的参数优化问题。最后,对基于伪光谱方法的月球软着陆轨道优化进行了数值仿真计算,并用极小值原理验证了仿真所得的轨道是最优轨道。结果表明,该优化处理方法具有收敛速度快、对初始控制量不敏感、鲁棒性强等优点。 展开更多
关键词 伪光谱方法 月球软着陆 轨道优化
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月球软着陆的一种燃耗次优制导方法 被引量:11
9
作者 王大轶 李铁寿 +1 位作者 严辉 马兴瑞 《宇航学报》 EI CSCD 北大核心 2000年第4期55-63,共9页
文中的软着陆过程从一条环月停泊轨道开始。一旦选定着陆点 ,则通过ΔV变轨转入一条椭圆轨道。当到达近月点时 ,着陆制动发动机点火 ,开始动力下降阶段。参考运载火箭制导过程的分析方法 ,假设月球为一均匀引力场 ,以燃耗最优性为出发... 文中的软着陆过程从一条环月停泊轨道开始。一旦选定着陆点 ,则通过ΔV变轨转入一条椭圆轨道。当到达近月点时 ,着陆制动发动机点火 ,开始动力下降阶段。参考运载火箭制导过程的分析方法 ,假设月球为一均匀引力场 ,以燃耗最优性为出发点 ,提出了一种用于软着陆动力下降过程的显式制导律。其显式表达式是剩余时间的函数。它不必进行迭代计算 。 展开更多
关键词 月球软着陆 燃耗最优性 制导 月球探测器
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定常推力登月飞行器最优软着陆轨道研究 被引量:10
10
作者 王劼 崔乃刚 +1 位作者 刘暾 李俊峰 《高技术通讯》 EI CAS CSCD 2003年第4期39-42,共4页
完成了推力幅值恒定的登月飞行器最优软着陆轨道的研究。建立了用于描述软着陆轨道任务的完整系统模型。通过将参数化方法和序列二次规划(SQP)方法应用于归一化处理后的模型,得到了飞行时间最优的轨道。
关键词 轨道控制 二体问题 月球探测器 最优软着陆轨道 定常推力 登月飞行器 非线性规划
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月球探测器软着陆精确建模及最优轨道设计 被引量:21
11
作者 周净扬 周荻 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第6期1462-1466,1471,共6页
针对探测器月面软着陆问题,在考虑月球自转的基础上建立了月球探测器在三维空间飞行的精确动力学模型。以燃耗最优为指标,利用Pontryagin极大值原理,得到了发动机推力开关曲线和推力方向角的最优控制律。综合考虑落点位置和速度约束求... 针对探测器月面软着陆问题,在考虑月球自转的基础上建立了月球探测器在三维空间飞行的精确动力学模型。以燃耗最优为指标,利用Pontryagin极大值原理,得到了发动机推力开关曲线和推力方向角的最优控制律。综合考虑落点位置和速度约束求解两点边值问题,得到了探测器软着陆的最优轨线。仿真研究表明本文建立的精确动力学模型相对于不考虑月球自转的动力学模型可以有效提高探测器落点位置精度。 展开更多
关键词 月球探测器 软着陆 精确建模 最优轨线
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基于自适应模拟退火遗传算法的月球软着陆轨道优化 被引量:46
12
作者 朱建丰 徐世杰 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第4期806-812,共7页
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... 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。 展开更多
关键词 轨道优化 自适应模拟退火遗传算法 模拟退火算法 遗传算法 月球软着陆 参数化方法
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基于蚁群算法的月球软着陆轨迹优化 被引量:24
13
作者 段佳佳 徐世杰 朱建丰 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第2期476-481,488,共7页
针对基于最省燃料的月球软着陆轨迹优化问题进行了研究。首先通过改进的函数逼近法,将月球软着陆的轨迹优化问题转化为参数优化问题,并且使优化变量及状态变量均有明确的物理意义。然后利用增加了局部搜索策略的十进制蚁群算法对该优化... 针对基于最省燃料的月球软着陆轨迹优化问题进行了研究。首先通过改进的函数逼近法,将月球软着陆的轨迹优化问题转化为参数优化问题,并且使优化变量及状态变量均有明确的物理意义。然后利用增加了局部搜索策略的十进制蚁群算法对该优化问题进行研究。仿真算例证明十进制蚁群算法能快速地搜索到满足终端约束条件的最优月球软着陆轨迹,而且燃料消耗也与采用极大值原理得到的最优燃料消耗相当;同时与改进的遗传算法-自适应模拟退火遗传算法相比,在优化精度相差不多的情况下十进制蚁群算法收敛速度要快很多。仿真结果也说明增加局部搜索策略的十进制蚁群算法具有优良的全局和局部搜索能力。 展开更多
关键词 轨迹优化 月球软着陆 蚁群算法 局部搜索策略
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基于伪光谱方法月球软着陆轨道快速优化设计 被引量:13
14
作者 王明光 裴听国 袁建平 《中国空间科学技术》 EI CSCD 北大核心 2007年第5期27-32,共6页
根据软着陆轨道的特征和优化算法的特点,对探月器软着陆轨道状态方程进行合理的转化处理,使其更适合优化数值解法求解。在此基础上,使用伪光谱方法将软着陆轨道优化问题转为一个约束参数优化问题,然后采用乘子法处理约束条件,采用变尺... 根据软着陆轨道的特征和优化算法的特点,对探月器软着陆轨道状态方程进行合理的转化处理,使其更适合优化数值解法求解。在此基础上,使用伪光谱方法将软着陆轨道优化问题转为一个约束参数优化问题,然后采用乘子法处理约束条件,采用变尺度法求解处理后的参数优化问题,仿真结果表明此方法具有收敛速度快、对初始控制量不敏感、鲁棒性强的优点。 展开更多
关键词 伪光谱方法 月球着陆 软着陆 最优控制 轨道控制
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月球探测器直接软着陆最优轨道设计 被引量:6
15
作者 和兴锁 林胜勇 张亚锋 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第2期409-413,共5页
研究月球探测器直接软着陆最优轨道的设计问题。首先根据探测器直接软着陆的特点,提出了有限推力最省燃料的最优轨道设计问题;然后利用有限推力月面软着陆的最优推力控制方向的计算公式,研究了边值条件和计算方法;最后通过直接软着陆最... 研究月球探测器直接软着陆最优轨道的设计问题。首先根据探测器直接软着陆的特点,提出了有限推力最省燃料的最优轨道设计问题;然后利用有限推力月面软着陆的最优推力控制方向的计算公式,研究了边值条件和计算方法;最后通过直接软着陆最优轨道的算例及结果分析,发现开始制动高度越低越省能量;推力方向可变时比不可变时节省能量;推力大小可变相当于采用了多级制动,对安全定点着陆非常有利。 展开更多
关键词 月球探测器 直接软着陆 最优轨道设计
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月球软着陆的神经元最优制导控制方法 被引量:4
16
作者 王大轶 马兴瑞 +1 位作者 李铁寿 严辉 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 1999年第12期31-36,共6页
针对月球软着陆过程中的控制问题 ,提出了一种将最优理论和非线性神经元控制相结合的控制制导方案。其主要内容是 ,根据终端着陆条件和性能指标 ,以由庞氏极大值原理得出从近月点到月面的最优着陆轨迹为基础 ,给出一种基于人工神经元网... 针对月球软着陆过程中的控制问题 ,提出了一种将最优理论和非线性神经元控制相结合的控制制导方案。其主要内容是 ,根据终端着陆条件和性能指标 ,以由庞氏极大值原理得出从近月点到月面的最优着陆轨迹为基础 ,给出一种基于人工神经元网络的非线性最优控制策略 ,使被控系统能通过神经网络对非线性的映射能力实现某种最优的非线性控制。 展开更多
关键词 软着陆 最优制导控制 月球探测 神经元
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用于月球软着陆最优轨迹跟踪制导过程的模糊神经网络控制方法(英文) 被引量:9
17
作者 王大轶 乔国栋 李铁寿 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第5期1149-1155,1170,共8页
软着陆过程的制导控制已经成为月球探测中一个具有挑战性的问题。神经网络与模糊逻辑都是处理不确定性(受控对象缺乏精确的数学描述或具有非线性的复杂性)问题的有效手段。本文根据终端着陆条件和性能指标,以由Pontryagin’s极大值原理... 软着陆过程的制导控制已经成为月球探测中一个具有挑战性的问题。神经网络与模糊逻辑都是处理不确定性(受控对象缺乏精确的数学描述或具有非线性的复杂性)问题的有效手段。本文根据终端着陆条件和性能指标,以由Pontryagin’s极大值原理得出从近月点到月球表面的最优着陆轨迹为基础,给出一种基于模糊神经网络的非线性最优控制策略,使被控系统能够通过模糊神经网络的非线性映射能力实现某种最优的闭环制导控制。最后通过数学仿真验证了该控制策略的可行性与有效性。 展开更多
关键词 模糊神经网络 最优制导 月球软着陆
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月球精确定点软着陆轨道设计及初始点选取 被引量:8
18
作者 单永正 段广仁 张烽 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第6期2099-2104,共6页
研究了一种应用参数化控制求解月球探测器精确定点软着陆最优控制问题的方法。首先用约束变换技术将不等式约束进行了近似处理,而后利用若干个分段的常数去逼近最优解,再根据强化技术通过时间轴上的变换,将每一段参数的持续时间转变为... 研究了一种应用参数化控制求解月球探测器精确定点软着陆最优控制问题的方法。首先用约束变换技术将不等式约束进行了近似处理,而后利用若干个分段的常数去逼近最优解,再根据强化技术通过时间轴上的变换,将每一段参数的持续时间转变为一组新的参数,于是最优控制问题被转化为一系列参数优化问题。最后应用经典的参数优化方法即可求得最优控制函数的一个近似解,通过增加参数个数,重复优化得到逼近连续最优解的参数化解。同时在优化过程中考虑了制动初始点的选取对结果的影响。仿真结果表明了所提设计方法是简单、有效的。 展开更多
关键词 月球探测器 定点软着陆 最优控制 参数化控制
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载人登月绕月自由返回轨道混合-分层优化设计 被引量:12
19
作者 曹鹏飞 贺波勇 +1 位作者 彭祺擘 李海阳 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第4期331-337,共7页
针对载人登月绕月自由返回飞行任务,提出一种混合-分层轨道优化设计方法。将高精度模型下强约束自由返回轨道设计问题转化为有约束非线性规划求解问题,在此基础上提出一种混合-分层优化求解策略。在双二体模型下利用差分进化算法(DE)与... 针对载人登月绕月自由返回飞行任务,提出一种混合-分层轨道优化设计方法。将高精度模型下强约束自由返回轨道设计问题转化为有约束非线性规划求解问题,在此基础上提出一种混合-分层优化求解策略。在双二体模型下利用差分进化算法(DE)与序列二次规划(SQP)相结合的混合优化算法快速求解了满足弱约束条件下的轨道初值问题。采用序列二次规划(SQP)构造两层迭代格式,在高精度模型和强目标约束下对初步设计轨道进行逐层修正。最后,通过仿真测试,文章所述方法的可行性与有效性得到了验证。仿真飞行结果还进一步表明该设计方法具有求解精度高、收敛速度快等优点,为探月工程任务提供了一种有效的轨道设计工具。 展开更多
关键词 载人登月 绕月自由返回飞行 轨道设计 混合-分层优化
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软着月任务窗口与轨道设计方法研究 被引量:2
20
作者 白玉铸 郗晓宁 +2 位作者 高玉东 刘磊 黄文德 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第6期2092-2098,共7页
建立了一套应用于多约束条件下软着月任务的窗口计算以及轨道设计方法。针对经历发射段、地月转移段、绕月段及动力下降段的月球探测器,综合考虑各个特征点的位置、光照、测控等约束,结合轨道特性,采用着月点→近月点→入轨点→发射点... 建立了一套应用于多约束条件下软着月任务的窗口计算以及轨道设计方法。针对经历发射段、地月转移段、绕月段及动力下降段的月球探测器,综合考虑各个特征点的位置、光照、测控等约束,结合轨道特性,采用着月点→近月点→入轨点→发射点倒推的方式,快速确定探测器的发射窗口。在其中选择发射时刻后即可计算转移轨道的轨道根数初值,并搜索计算精确轨道。该方法对于我国月球探测后期工程的发射窗口计算与轨道设计工作有较重要的参考价值。 展开更多
关键词 软着月任务 发射窗口 轨道设计 多约束条件 月球探测器
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