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基于任务规划的有限推力燃料最优交会

固体火箭技术 2010年第6期33卷 611-615,620页

作者：闫循良汤一华徐敏陈士橹西北工业大学航天学院西安710072

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... 详细信息

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。

关键词：空间交会轨道优化任务规划燃料最优有限推力 Battin-Vaughan算法共轭梯度法

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有限推力能量、燃料最优轨道转移控制

南京航空航天大学学报 2009年第6期41卷 715-719页

作者：岳新成杨莹耿志勇北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室北京100871

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... 详细信息

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。

关键词：轨道转移有限推力燃料最优极大值原理打靶法

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求解中途飞越燃料最优转移轨道的同伦方法

宇航学报 2017年第4期38卷 393-400页

作者：潘迅泮斌峰唐硕西北工业大学航天学院西安710072 航天飞行动力学技术重点实验室西安710072

提出一种新的同伦方法,用于求解深空探测中对其他天体进行中途飞越的小推力燃料最优转移轨道,克服由于其存在内点约束及不连续Bang-Bang控制所导致的数值优化方法的求解困难。该同伦方法将同伦参数同时嵌入到性能指标和内点约束方程中,... 详细信息

提出一种新的同伦方法,用于求解深空探测中对其他天体进行中途飞越的小推力燃料最优转移轨道,克服由于其存在内点约束及不连续Bang-Bang控制所导致的数值优化方法的求解困难。该同伦方法将同伦参数同时嵌入到性能指标和内点约束方程中,将容易求解的无内点约束且控制量连续变化的最优控制问题作为初始问题,求解一系列同伦参数递增所对应的同伦迭代子问题,直到得到原问题的解。该方法能够有效地解决中途飞越所导致的优化变量增加、求解难度增大等难题,能够快速、稳定地求解考虑中途飞越的小推力燃料最优转移轨道。最后,以地球到火星交会并中途飞越小行星和地球到木星交会并中途飞越火星两个任务为例进行数值仿真验证该同伦方法在求解中途飞越的燃料最优问题中的有效性和优越性。

关键词：中途飞越最优控制燃料最优小推力同伦方法深空探测

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燃料最优定点软着陆问题的研究

燃料最优定点软着陆问题的研究

作者：夏伟博东北大学

学位级别：硕士

火箭是探索太空的重要工具。然而火箭的研制成本高昂。为了降低成本,有人提出回收火箭的想法,以期通过重复使用来分担研制费用。火箭从高空以高速降落在指定位置是一项庞大的系统工程,涉及到诸多关键技术。高精度的制导、导航与控制技... 详细信息

火箭是探索太空的重要工具。然而火箭的研制成本高昂。为了降低成本,有人提出回收火箭的想法,以期通过重复使用来分担研制费用。火箭从高空以高速降落在指定位置是一项庞大的系统工程,涉及到诸多关键技术。高精度的制导、导航与控制技术就是其中之一。制导是导引火箭飞向目标点的过程。在着陆过程中要求制导算法具有快速生成着陆轨迹和推力控制的能力。在着陆过程中,火箭经过反推制动减速缓缓降落于海上回收平台或是发射场的指定位置。为着陆过程预留的燃料会成为发射时的载荷,影响运载能力,因此有必要尽可能地减少着陆过程中使用的燃料。因此本文提出燃料最优定点软着陆问题。对于这个问题,本文进行了如下几个方面的研究。建立了飞行过程中的数学模型。通过几个基本假设,列写出运动方程、推力所受限制和位置等状态量受到的约束条件。最终得到一个的最优控制问题。并将此最优控制问题作为研究对象。对于这个最优控制问题,先考虑一种特殊情况,即只存在竖直方向运动。采用庞特里亚金极大值原理对简化的最优控制问题进行分析,得到最优推力只有四种变化模式的结论。并且当最小推力取到零时,得到一种解析的求解方法。针对完整的最优控制问题,从理论分析和实际求解两方面入手,一方面分析最优推力的性质,另一方面提出一种求解此问题的算法。利用庞特里亚金极大值原理进行分析,得到最优推力幅值只有五种变化模式的结论。为了求得最优推力和相应的最优状态,采用数值求解方法。通过引入松弛变量、进行变量替换、进行近似逼近以及离散化这一系列过程把此问题转化为一个二阶锥规划问题。这是一类特殊的凸优化问题,可以利用内点法高效快速地求解。最后,利用Matlab进行几个仿真算例,既验证了数值求解方法的有效性又展示了在不同初始条件下着陆过程的异同。

关键词：火箭回收燃料最优软着陆极大值原理凸优化

基于高斯伪谱法和有限差分结合的飞行器燃料最优轨道转移优化

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导弹与航天运载技术 2021年第2期 116-120页

作者：周珺仪刘佳琪焦胜海段红亮陈晓光北京航天长征飞行器研究所北京100076 试验物理与计算数学国家级重点实验室北京100076

为解决最优轨道短时快速转移优化问题,将高斯伪谱法和有限差分法相结合,求解最优控制的直接法和间接法,提出基于Lambert边值求解的初值范围,加快高斯伪谱法的收敛速度。并利用伪谱法得到的协态变量初值带入有限差分求解两点边值问题的... 详细信息

为解决最优轨道短时快速转移优化问题,将高斯伪谱法和有限差分法相结合,求解最优控制的直接法和间接法,提出基于Lambert边值求解的初值范围,加快高斯伪谱法的收敛速度。并利用伪谱法得到的协态变量初值带入有限差分求解两点边值问题的精确解。仿真结果表明,对于短时间轨道转移,同伪谱法相比,改进方法的控制过程稳定无误差,精度更高。

关键词：小推力变轨燃料最优伪谱法有限差分法

有限推力模式下卫星星座遍历的燃料最优轨道设计

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有限推力模式下卫星星座遍历的燃料最优轨道设计

作者：麻娜哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着航天任务的日益复杂化,单颗卫星越来越难满足工程任务的要求,因此由多颗卫星通过一定构型组成的卫星星座近年来在航天领域得到广泛应用,但是如果星座中某颗卫星发生损坏或故障会直接影响整个星座的功能,因而催生出了对星座卫星维护... 详细信息

随着航天任务的日益复杂化,单颗卫星越来越难满足工程任务的要求,因此由多颗卫星通过一定构型组成的卫星星座近年来在航天领域得到广泛应用,但是如果星座中某颗卫星发生损坏或故障会直接影响整个星座的功能,因而催生出了对星座卫星维护的需要,星座遍历问题的研究因此越来越受到广泛关注。本文提出了有限推力模式下单航天器对星座遍历的燃料最优轨道设计理论,并以应用广泛的GPS星座为研究对象,结合MATLAB和Satellite Tool Kit(STK)软件对星座遍历轨道进行仿真,验证理论的正确性。首先,为了寻找燃料最优的遍历轨道,在更为理想的形式简单的冲量变轨模式下先进行初步探索,利用星座间卫星的相位差,提出了燃料与时间共同约束下的最优轨道转移策略,即同平面向后调相变轨方式,得到了调相变轨燃料消耗与时间消耗成反比的结论,并以此轨道转移策略结合GPS卫星星座的构型,设计了二体问题下基于冲量变轨的燃料最优GPS星座遍历轨道,并通过STK仿真验证了所提理论的正确性,为后续星座遍历轨道设计的研究提供了初始思想与模型。随后,由于冲量变轨条件过于理想,在实际工程应用中难以实现,而有限推力变轨符合目前普遍使用的发动机的特性,因而将冲量条件下的同平面向后调相轨道转移策略用有限推力实现。给出了共面与非共面的有限推力制导律,并根据最小二乘法、遗传算法和高斯伪谱法分别给出了满足约束的制导指令,通过三者特点的分析,选择了二体情况下合适的组合制导方法--将遗传算法计算结果作为高斯伪谱法的控制量初值的精度与计算效率皆高的有限推力制导律,并应用此制导律给出了二体条件下有限推力变轨的GPS卫星星座遍历的燃料最优轨道设计方案,用MATLAB计算出每次有限推力变轨的点火要素与末端状态,并应用到STK进行仿真。最后,因为实际情况下航天器在太空中受到摄动力的影响而偏离二体轨道,应用平均根数法给出的航天器在2J摄动下的动力学方程的解析解,可以实现对目标卫星的轨道的提前计算,从而方便提前确定满足交会要求的变轨的起始与终端位置。摄动情况下,遗传算法的收敛性差,而最小二乘法的精确度低于高斯伪谱法,因此只应用高斯伪谱法进行燃料消耗最优约束下的有限推力轨道转移的点火要素与轨道修正的计算,得到了2J摄动下基于有限推力变轨的GPS卫星星座遍历的燃料最优轨道设计方案,应用MATLAB仿真结果验证了所提出理论的正确性。

关键词：星座遍历轨道设计有限推力燃料最优 2J摄动

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火星着陆器动力下降段燃料最优制导律研究

火星着陆器动力下降段燃料最优制导律研究

作者：曾添一哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着人类对太空探索的不断深入,人造探测器探测任务已由早期对地球、月球探测发展到行星及彗星的探测,探测任务的类型经历了飞越、绕飞、硬着陆、软着陆、采样返回等几个阶段。着陆器的动力下降段主要用于实现行星的最终软着陆任务,是... 详细信息

随着人类对太空探索的不断深入,人造探测器探测任务已由早期对地球、月球探测发展到行星及彗星的探测,探测任务的类型经历了飞越、绕飞、硬着陆、软着陆、采样返回等几个阶段。着陆器的动力下降段主要用于实现行星的最终软着陆任务,是确保实现近距离研究行星的重要阶段之一。针对火星着陆器在任务可靠性、燃料消耗等多方面任务需求,本文以燃料最优为目标,对动力下降段的轨迹优化和最优跟踪制导策略开展了研究,主要包括以下几个方面:经过合理简化得到着陆器动力下降段运动模型,并将具有非凸特性的燃料最优问题转换为凸优化问题进行求解,通过轨迹优化得到了大量不同初始状态下的燃料最优着陆轨迹。针对得到的燃料最优轨迹,设计了一种基于二阶滑模的轨迹跟踪制导律。针对传统变结构控制使系统产生抖振,动态响应速率慢,以及存在大气等干扰时不具备较强鲁棒性等问题,设计一种二阶滑模到达条件,理论证明了其存在性和可达性,对存在干扰情况下的鲁棒性进行了分析;基于所设计的到达条件设计出跟踪制导律;通过数值仿真验证了所设计跟踪制导律的有效性。考虑最优轨迹存储将占据大量存储空间,本文在深入分析燃料最优解的基础上提出了一种新的路径点制导策略。通过其推力变化规律定义了新的路径点,选取线性制导律与之结合形成新的制导策略,该制导策略既具有燃料最优性,又较传统标称轨迹制导节省存储空间;分别采用线性插值和三次样条插值方法,获得了非典型初始位置对应的路径点,通过仿真验证所提出方法的有效性。

关键词：火星着陆器动力下降制导策略燃料最优路径点二阶滑模

火星着陆器动力下降段燃料最优精确着陆轨迹计算与分析

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深空探测研究 2012年第4期10卷 1-7页

作者：郭延宁王强李传江哈尔滨工业大学控制科学与工程系上海卫星工程研究所

为了利用有限燃料成功完成火星精确着陆任务，本文研究了考虑各种约束的动力下降段燃料最优轨迹优化问题，并进而分析了最优轨迹的特点。针对变推力发动机情况，首先基于推力器幅值、火星地表碰撞、下降倾角等因素描述了动力下降段的燃... 详细信息

为了利用有限燃料成功完成火星精确着陆任务，本文研究了考虑各种约束的动力下降段燃料最优轨迹优化问题，并进而分析了最优轨迹的特点。针对变推力发动机情况，首先基于推力器幅值、火星地表碰撞、下降倾角等因素描述了动力下降段的燃料最优精确着陆问题，并给出了相应的等效最优化问题；接着将等效最优化问题进行离散化，并最终转换为考虑线性约束和二阶锥约束的最优化问题。最后，计算了典型着陆器燃料最优精确着陆轨迹。通过对轨迹分布的研究发现，最优轨迹可以分为S型和C型两种，且最终均收敛于与探测器初始条件相关的圆锥体内，该结论对于上注路径点的选取以及着陆器自主制导方案的选取都具有重要的参考价值。

关键词：火星探测精确着陆动力下降段制导律燃料最优

火星着陆器动力下降段燃料最优精确着陆轨迹计算与分析

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