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载人登月转移轨道偏差传播机理分析与稳健性设计

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物理学报 2013年第19期62卷 83-90页

作者：贺波勇李海阳张波国防科学技术大学航天科学与工程学院长沙410073

载人登月转移轨道具有飞行时间长,动力学模型复杂,非线性强且变系数的特点,而载人登月工程对转移轨道可靠性要求极高,研究地月转移轨道偏差传播机理和轨道稳健性设计不仅具有工程意义,更具有探索地月空间复杂引力场对轨道偏差作用的科... 详细信息

载人登月转移轨道具有飞行时间长,动力学模型复杂,非线性强且变系数的特点,而载人登月工程对转移轨道可靠性要求极高,研究地月转移轨道偏差传播机理和轨道稳健性设计不仅具有工程意义,更具有探索地月空间复杂引力场对轨道偏差作用的科学意义.本文首先分析了日地月中心引力和地球J2项摄动等主要作用力对转移轨道偏差的作用范围与影响大小,其次提出了一种基于标称轨道数据的变系数非线性动力学系统偏差传播机理解析分析方法,最后构建了基于偏差传播矩阵的转移轨道稳健性评价指标,并基于NSGA-II(Nondominated Sorting Genetic Algorithms)算法求解了载人登月转移轨道稳健性优化设计问题.仿真结果表明,本文提出的偏差传播机理分析方法能快速准确地求解出载人登月转移轨道偏差传播矩阵,利用偏差传播矩阵进行协方差分析和中途修正脉冲计算是简单准确的,考虑稳健性的转移轨道优化设计可以提高标称轨道品质.

关键词：载人登月转移轨道偏差分析稳健性设计

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行星际小推力转移轨道分层初始设计方法

北京理工大学学报 2012年第2期32卷 154-159页

作者：王帅尚海滨吴伟仁黄翔宇北京理工大学深空探测技术研究所北京100081 探月与航天工程中心北京100037 空间智能控制技术重点实验室北京100190

针对小推力转移轨道设计问题,提出了一种结合切比雪夫多项式拟合和离散脉冲策略的分层初始设计方法.基于曲线拟合思想采用切比雪夫多项式对小推力轨道进行逼近,建立起轨道状态与时间的关系,避免了传统曲线拟合策略中时间约束的解算并舍... 详细信息

针对小推力转移轨道设计问题,提出了一种结合切比雪夫多项式拟合和离散脉冲策略的分层初始设计方法.基于曲线拟合思想采用切比雪夫多项式对小推力轨道进行逼近,建立起轨道状态与时间的关系,避免了传统曲线拟合策略中时间约束的解算并舍去了速度方向假设;在全局搜索中利用低阶多项式求解边界约束得到降维解空间中的全局最优解;在此基础上,增加切比雪夫多项式的自由度并局部优化;通过脉冲离散并进一步优化求解出引入路径约束的小推力轨道.以地火交会轨道及地-火-木星借力交会轨道为例对所提方法进行了仿真验证,结果表明此方法可有效地对交会、借力轨道进行快速全局初始设计.

关键词：小推力转移轨道曲线拟合切比雪夫多项式离散脉冲

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基于解析梯度的微推进转移轨道优化方法

航空学报 2010年第12期31卷 2365-2372页

作者：尚海滨崔平远乔栋北京理工大学宇航学院北京100081

研究基于离散脉冲策略的行星际微推进转移轨道优化问题,为改善收敛性和计算效率,提出了一种解析的梯度矩阵计算方法。首先,基于离散脉冲思想建立了行星际微推进转移轨道优化模型,通过对速度脉冲矢量进行参数变换,避免了传统优化模型初... 详细信息

研究基于离散脉冲策略的行星际微推进转移轨道优化问题,为改善收敛性和计算效率,提出了一种解析的梯度矩阵计算方法。首先,基于离散脉冲思想建立了行星际微推进转移轨道优化模型,通过对速度脉冲矢量进行参数变换,避免了传统优化模型初值猜测和搜索域难以界定的缺点;然后,基于变分原理分析了离散脉冲模型中轨道状态转移矩阵与状态变分之间的关系,并给出了多种轨道特征条件下状态变分的计算方法,该方法可扩展到多次状态不连续情况;在此基础上,推导了离散脉冲轨道优化模型中性能指标与轨道约束对寻优参数梯度矩阵的解析表达式。以地球-火星的燃料最省微推进转移为例对所提解析梯度方法进行了仿真验证。数值结果表明:本文推导的解析梯度矩阵是正确的,与传统数值梯度计算方法相比,解析梯度矩阵可有效改善寻优算法的收敛特性,并能够提高计算效率约47%。

关键词：星际探测器微推进转移轨道脉冲离散轨道优化解析梯度

基于人工免疫算法的地球-火星小推力转移轨道优化

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中国空间科学技术 2012年第5期32卷 61-68页

作者：彭坤徐世杰果琳丽王平中国空间技术研究院载人航天总体部北京100094 北京航空航天大学宇航学院北京100191

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 ... 详细信息

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。

关键词：人工免疫算法参数化小推力轨道最优化转移轨道星际飞行

日地Halo轨道的多约束转移轨道分层微分修正设计

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宇航学报 2015年第10期36卷 1114-1124页

作者：张景瑞曾豪李明涛北京理工大学宇航学院北京100081 中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190

针对日-地系统L1点(简称SEL1点)Halo轨道转移轨道设计中存在的多约束与初值敏感性问题,提出一种基于分层微分修正与初值多项式的设计方法。首先定义平动点转移轨道设计过程中存在的约束条件,然后根据不同的终端约束条件,重点给出了同时... 详细信息

针对日-地系统L1点(简称SEL1点)Halo轨道转移轨道设计中存在的多约束与初值敏感性问题,提出一种基于分层微分修正与初值多项式的设计方法。首先定义平动点转移轨道设计过程中存在的约束条件,然后根据不同的终端约束条件,重点给出了同时考虑轨道高度、轨道倾角、升交点赤经与航迹角等多约束条件下的分层微分修正方法。通过分析约束变量与控制变量之间的关系,得到能够解决微分修正初值问题的初值表达式。最后在多约束条件下设计了从轨道高度为200 km的地球停泊轨道到SEL1点Halo轨道的转移轨道。仿真结果表明,分层微分修正方法能够处理多约束问题,且初值表达式可以为微分修正提供良好的初始条件,从而保证算法收敛,方法具有较好的实用性。

关键词：平动点轨道分层微分修正转移轨道多约束条件

基于形状的行星际小推力转移轨道初始设计方法

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宇航学报 2010年第6期31卷 1569-1574页

作者：尚海滨崔平远乔栋北京理工大学深空探测技术研究所北京100081

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... 详细信息

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。

关键词：小推力转移轨道初始设计逆多项式微分进化

结合行星借力飞行技术的小推力转移轨道初始设计

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宇航学报 2011年第1期32卷 29-38页

作者：尚海滨崔平远徐瑞乔栋北京理工大学深空探测技术研究所北京100081

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... 详细信息

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。

关键词：行星际探测器小推力行星借力飞行转移轨道初始设计

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“嫦娥二号”探测小行星任务转移轨道设计

宇航学报 2014年第3期35卷 262-268页

作者：刘磊刘勇曹建峰唐歌实周建亮航天飞行动力学技术重点实验室北京100094 北京航天飞行控制中心北京100094

文章研究了CE-2小行星探测任务的转移轨道设计。首先分析了已编目小行星的轨道分布及运动特性,基于飞行任务约束选择了合适的交会目标。其次,基于微分修正法研究了转移轨道的设计,通过约束修正量改善了微分迭代收敛性能,给出了转移轨道... 详细信息

文章研究了CE-2小行星探测任务的转移轨道设计。首先分析了已编目小行星的轨道分布及运动特性,基于飞行任务约束选择了合适的交会目标。其次,基于微分修正法研究了转移轨道的设计,通过约束修正量改善了微分迭代收敛性能,给出了转移轨道的遍历搜索设计流程。最后,在CE-2卫星剩余推进剂的约束下,基于CE-2精密轨道设计了能量最优转移轨道,并分析了转移轨道的测控和通信约束条件。研究结果表明,2012年内合适的小行星交会目标为4 179和214 869,交会小行星4 179的最小速度增量约97.312 m/s,剩余推进剂满足任务需求,同时国内测站可以满足测控需求。

关键词：嫦娥二号小行星转移轨道微分修正深空探测

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约束条件下的Halo轨道转移轨道设计

宇航学报 2009年第2期30卷 437-441,509页

作者：李明涛郑建华于锡峥高东中国科学院空间科学与应用研究中心北京100080 中国科学院研究生院北京100049

平动点任务的转移轨道往往存在约束条件,以往的研究集中于无约束条件下的Halo轨道转移轨道设计,研究约束条件下的Halo轨道的转移轨道设计问题。首先分析了平动点任务转移轨道的约束条件,然后给出了一种约束条件下Halo轨道转移轨道设计... 详细信息

平动点任务的转移轨道往往存在约束条件,以往的研究集中于无约束条件下的Halo轨道转移轨道设计,研究约束条件下的Halo轨道的转移轨道设计问题。首先分析了平动点任务转移轨道的约束条件,然后给出了一种约束条件下Halo轨道转移轨道设计的一般方法,重点推导了考虑轨道高度、航迹角、轨道倾角、升交点约束的微分修正公式。然后以日地L1点附近的Halo轨道为目标轨道,在约束条件下设计了其转移轨道,仿真结果验证了本文方法的有效性。

关键词： Halo轨道转移轨道约束条件微分修正