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Hybrid planning for LEO long-duration multi-spacecraft rendezvous mission

Science China(Technological Sciences) 2012年第1期55卷 233-243页

作者： zhang jin luo yazhong tang guojin College of Aerospace and Materials Engineering National University of Defense Technology Changsha 410073 China

For the low-earth-orbit （LEO） long-duration multi-spacecraft rendezvous mission, a mixed integer nonlinear programming （MINLP） model is built with consideration of the , perturbation and the time window constraints based on lighting condition. A two-level hybrid optimization approach is proposed. The up-level problem uses the visiting sequence, the orbital transfer duration and the service time after each rendezvous as design variables, and employs the mix-coded genetic algorithm to search the optimal solution; the low-level problem uses the maneuver time and impulses in each rendezvous as design vari- ables, and employs the downhill simplex method to search the optimal solution. To improve the solving efficiency of the low-level problem, a linear dynamic model with J~ perturbation is derived, and the approximate strategy of the low-level prob- lem is then proposed. The proposed method has been applied to several numerical problems. The results lead to three major conclusions：（1） The MINLP model for LEO long-duration multi-spacecraft rendezvous mission is effective, and the proposed hybrid optimization strategy can obtain good solutions that satisfy time window constraints; （2） The derived linear dynamic equations are good first-order approximation to the long-duration rendezvous trajectory under ,J2 perturbation; （3） Under J2 perturbation, the long-duration rendezvous problem has multiple local minimums either in the duration of multiple orbits or in a single orbit, and it agrees with the problem＇s characteristic to use the mix-coded genetic algorithm.

关键词： multi-spacecraft rendezvous long-duration rendezvous hybrid planning rendezvous time window lighting constraints J2 perturbation

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Survey of orbital dynamics and control of space rendezvous

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Chinese Journal of Aeronautics 2014年第1期27卷 1-11页

作者： luo yazhong zhang jin tang guojin College of Aerospace Science and Technology National University of Defense Technology

Rendezvous orbital dynamics and control （RODC） is a key technology for operating space rendezvous and docking missions. This paper surveys the studies on RODC. Firstly, the basic relative dynamics equation set is introduced and its improved versions are evaluated. Secondly, studies on rendezvous trajectory optimization are commented from three aspects： the linear rendez- vous, the nonlinear two-body rendezvous, and the perturbed and constrained rendezvous. Thirdly, studies on relative navigation are briefly reviewed, and then close-range control methods including automated control, manual control, and telecontrol are analyzed. Fourthly, advances in rendezvous trajectory safety and robust analysis are surveyed, and their applications in trajectory optimization are discussed. Finally, conclusions are drawn and prospects of studies on RODC are presented.

关键词： Automated control Relative dynamics equationRelative navigation Space rendezvous Survey Trajectory optimization

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Remarks on a benchmark nonlinear constrained optimization problem

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Journal of Systems Engineering and Electronics 2006年第3期17卷 551-553页

作者： luo yazhong Lei Yongjun tang guojin Coll. of Aerospace and Material Engineering National Univ. of Defense Technology Changsha 410073 P. R. China

Remarks on a benchmark nonlinear constrained optimization problem are made. Due to a citation error, two absolutely different results for the benchmark problem are obtained by independent researchers. Parallel simulated annealing using simplex method is employed in our study to solve the benchmark nonlinear constrained problem with mistaken formula and the best-known solution is obtained, whose optimality is testified by the Kuhn Tucker conditions.

关键词： nonlinear constrained optimization parallel simulated annealing Kuhn-Tucker theorem.

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Research on the strategy of angles-only relative navigation for autonomous rendezvous

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Science China(Technological Sciences) 2011年第7期54卷 1865-1872页

作者： LI JiuRen LI HaiYang tang guojin luo yazhong College of Aerospace and Material Engineering National University of Defense Technology Changsha 410073 China

This paper considers the problem of angles-only relative navigation for autonomous rendezvous. Methods for determining degree of observability （DO0） and latent range information of orbital maneuver are proposed for analyzing and enhancing the precision of relative position and velocity estimation. The equations of angles-only relative navigation are set forth on the con- dition that optical camera is the only viable sensor for relative measurement, and expressions for the DO0 of relative navigation are obtained by using the Newton iterative method. The latent range information of orbital maneuver is analyzed, which is employed to enhance the DOO of angles-only relative navigation. Simulation result shows that DOO is effective to describe the observability level of relative position and velocity, and the latent range information is useful in enhancing the DOO of the angles-only relative navigation.

关键词： autonomous rendezvous relative navigation angles-only degree of observability orbital maneuver

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Planning for space station long-duration orbital mission under multi-constraints

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Science China(Technological Sciences) 2013年第5期56卷 1075-1085页

作者： LIN KunPeng luo yazhong zhang jin tang guojin College of Aerospace Science and Engineering National University of Defense Technology

An integrated nonlinear planning(NLP) model is built for space station long-duration orbital missions considering both the vehicle visiting schedules and the interaction effects between target phasing,vehicle return adjusting and Earth observation aiming.A two-level optimization approach is proposed to solve this complicated *** up-level problem employs the launch times of visiting vehicles as design variables,considers the constraints of crew rotations,resource resupplies and rendezvous launch windows,and is solved by a genetic *** low-level problems employ the maneuver impulses and burn times within each orbital mission as design variables,and a high-efficient shooting iteration method is proposed based on an analytical equation for the phase angle correction considering the J 2 *** results indicate that the integrated NLP model for space station long-duration orbital missions is effective,and the proposed optimization approach can obtain the optimal solutions that satisfy the multiple constraints and reduce the total propellant consumption.

关键词： space station orbital mission target phasing vehicle return Earth observation J2 perturbation

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空间交会调相综合变轨优化

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航天控制 2009年第1期27卷 15-19,24页

作者：张进罗亚中唐国金李海阳国防科技大学航天与材料工程学院长沙410073

基于近圆轨道偏差线性方程研究了摄动交会调相综合变轨问题,建立了综合变轨两层非线性优化模型:上层问题以变轨点纬度幅角为优化变量,下层问题以脉冲向量为优化变量。为了快速获得上层问题全局优化性较好的摄动解,采用了并行模拟退火算... 详细信息

基于近圆轨道偏差线性方程研究了摄动交会调相综合变轨问题,建立了综合变轨两层非线性优化模型:上层问题以变轨点纬度幅角为优化变量,下层问题以脉冲向量为优化变量。为了快速获得上层问题全局优化性较好的摄动解,采用了并行模拟退火算法与序列二次规划算法相结合的混合策略;下层问题使用基于可行域最速下降的线性迭代方法求解。采用一个两天近地轨道调相问题测试了本文的综合变轨求解策略,并将综合变轨与特殊点变轨、综合变轨混合优化与遗传算法优化进行了比较。结果表明,建立的两层优化模型是有效的,本文的求解策略有着良好的全局收敛性和较高的收敛效率,综合变轨相对于特殊点变轨可以显著地节省燃料。

关键词：空间交会调相综合变轨优化

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弹道导弹中段机动突防制导问题的仿真研究

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导弹与航天运载技术 2005年第4期 13-18页

作者：雍恩米唐国金罗亚中国防科技大学航天与材料工程学院长沙410073

对弹道导弹中段机动突防制导问题进行了仿真研究。完成了导弹高空机动突防系统概念设计,建立了大气层外飞行的导弹突防制导问题的数学模型,设计了非线性规划求解突防制导指令的两种算法:基于解析解的Bang-Bang控制形式求解和多重参数化... 详细信息

对弹道导弹中段机动突防制导问题进行了仿真研究。完成了导弹高空机动突防系统概念设计,建立了大气层外飞行的导弹突防制导问题的数学模型,设计了非线性规划求解突防制导指令的两种算法:基于解析解的Bang-Bang控制形式求解和多重参数化法求解。最后基于以上数学模型和算法模型建立仿真系统,对突防制导问题的两种算法进行仿真验证。

关键词：弹道导弹机动突防制导非线性规划

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空间交会调相特殊点变轨求解算法

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航天控制 2009年第4期27卷 23-27页

作者：张进李海阳罗亚中唐国金国防科技大学航天与材料工程学院长沙410073

空间交会调相是交会轨道控制的关键问题,本文给出了摄动条件下交会调相特殊点变轨求解算法。算法由粗求解器和细求解器组成:粗求解器中仅迭代部分设计变量,其余设计变量由Gauss型摄动运动方程解析计算;细求解器以粗求解器计算结果为初值... 详细信息

空间交会调相是交会轨道控制的关键问题,本文给出了摄动条件下交会调相特殊点变轨求解算法。算法由粗求解器和细求解器组成:粗求解器中仅迭代部分设计变量,其余设计变量由Gauss型摄动运动方程解析计算;细求解器以粗求解器计算结果为初值,迭代所有设计变量获得较精确满足终端条件的解。算法简单可靠,适用于工程实际,算法的有效性得到了STK高精度轨道预报模块的验证。

关键词：空间交会调相特殊点变轨迭代算法

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空间交会调相轨道设计和变轨规划研究评述

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载人航天 2009年第1期15卷 19-24页

作者：罗亚中张进李海阳唐国金国防科技大学航天与材料工程学院

调相轨道方案设计和变轨参数规划是交会对接轨道设计与控制的关键技术问题之一。在综述该领域研究进展的基础上,首先分析了含调相段交会方案的优势,总结了调相轨道设计的主要约束条件;概述了工程实际中应用的调相轨道机动方案,从燃料消... 详细信息

调相轨道方案设计和变轨参数规划是交会对接轨道设计与控制的关键技术问题之一。在综述该领域研究进展的基础上,首先分析了含调相段交会方案的优势,总结了调相轨道设计的主要约束条件;概述了工程实际中应用的调相轨道机动方案,从燃料消耗指标等方面对比了特殊点轨道机动方案和综合变轨机动方案;从理论基础和工程实用方法两个方面评述了调相变轨参数规划研究现状。最后从工程实际需求和新背景下理论方法研究等两个方面展望了调相轨道设计和变轨参数规划研究中尚需深入开展的工作。

关键词：交会对接调相综述轨道方案变轨规划

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空间站零燃料大角度最优姿态机动路径规划

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载人航天 2011年第4期17卷 28-32页

作者：赵乾黄海兵罗亚中唐国金国防科学技术大学航天与材料工程学院

为了避免控制力矩陀螺在大角度姿态机动过程中的饱和,规划了最优的姿态机动路径,使大角度姿态机动过程中控制力矩陀螺的角动量峰值最小。建立了姿态机动的动力学与控制数学模型及姿态路径规划的数学模型,采用直接打靶法将控制路径规划... 详细信息

为了避免控制力矩陀螺在大角度姿态机动过程中的饱和,规划了最优的姿态机动路径,使大角度姿态机动过程中控制力矩陀螺的角动量峰值最小。建立了姿态机动的动力学与控制数学模型及姿态路径规划的数学模型,采用直接打靶法将控制路径规划问题转化为带参数约束的非线性参数优化问题,采用序列二次规划算法进行求解。数值仿真的结果表明通过姿态路径规划可以使大角度姿态机动过程中的控制力矩陀螺的角动量远离饱和。

关键词：空间站姿态机动控制力矩陀螺路径规划

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