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一种直接上升式轨道转移计算仿真方法

计算机仿真 2023年第4期40卷 48-51页

作者：吴启星赵灵峰王涛北京跟踪与通信技术研究所北京100094 中国科学院微小卫星创新研究院上海200120 中山大学智能工程学院广东广州510006

由于空间飞行器末制导段修正能力有限,助推段的制导精度将严重影响交会过程的最终制导精度。针对空间飞行器直接上升轨道转移实时快速性及容许制导交班误差的要求,提出了一种直接上升式轨道转移优化设计方法。假设空间飞行器助推段起始... 详细信息

由于空间飞行器末制导段修正能力有限,助推段的制导精度将严重影响交会过程的最终制导精度。针对空间飞行器直接上升轨道转移实时快速性及容许制导交班误差的要求,提出了一种直接上升式轨道转移优化设计方法。假设空间飞行器助推段起始瞬间获得全部速度增量,并在该段的其余时间内作惯性飞行,给出一种满足时间约束和速度增量约束组合条件下的轨道转移优化方法,确定助推点火时刻和预计交会点,并在此基础上给出助推器推力矢量定向的方法。方法对空间交会轨道设计具有普适性,可用于非共面非共轴交会。

关键词：空间飞行器有限末制导轨道转移优化

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混沌多步控制在地月轨道转移中的应用

西北工业大学学报 2018年第1期36卷 35-41页

作者：郑越泮斌峰唐硕王洋西北工业大学航天学院陕西西安710072 陕西省空天飞行器设计重点实验室陕西西安710072

为了减少低能地月轨道转移时航天器在混沌区域的滑行时间,提出一种混沌多步控制方法。利用地月圆形限制性三体问题下航天器轨迹的运行规律和混沌轨道对初始状态高度敏感的特性,通过自适应粒子群优化算法计算出混沌控制每一步的最优扰动... 详细信息

为了减少低能地月轨道转移时航天器在混沌区域的滑行时间,提出一种混沌多步控制方法。利用地月圆形限制性三体问题下航天器轨迹的运行规律和混沌轨道对初始状态高度敏感的特性,通过自适应粒子群优化算法计算出混沌控制每一步的最优扰动,进而实施多步控制实现地月低能轨道转移。该方法不需要依靠周期轨道和随机大量搜索,能够有效地实现地月低能轨道转移,并在耗费能量很小的前提下显著地缩短航天器在混沌区域的滑行时间。最后,数值仿真结果验证了所提出算法的正确性和有效性。

关键词：混沌圆形限制性三体问题轨道转移自适应粒子群优化算法

考虑J2项摄动的小推力燃料最优转移轨道设计

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哈尔滨工业大学学报 2017年第10期49卷 15-21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国家级重点实验室(西北工业大学) 西安710072

为优化得到考虑地球扁率J2项摄动影响的小推力燃料最优转移轨道,提出了一种3次同伦方法.构造较简单的采用"线性引力",且不考虑J2项摄动的大推力能量最优转移轨道作为同伦初始问题.引入3个同伦参数,分别对动力学模型、推力大小和性能指... 详细信息

为优化得到考虑地球扁率J2项摄动影响的小推力燃料最优转移轨道,提出了一种3次同伦方法.构造较简单的采用"线性引力",且不考虑J2项摄动的大推力能量最优转移轨道作为同伦初始问题.引入3个同伦参数,分别对动力学模型、推力大小和性能指标进行同伦,根据极小值原理推导得到同伦过程中的最优控制律,并通过跟踪同伦参数的连续变化求解一系列的同伦迭代子问题,分别得到J2摄动模型下的大推力能量最优转移轨道和小推力能量最优转移轨道,并最终优化得到小推力燃料最优转移轨道.以航天器与位于太阳同步轨道的碎片的交会任务为算例进行数值仿真,验证所提出的3次同伦方法在求解J2项摄动影响下的小推力燃料最优转移轨道优化问题中的有效性.结果表明,利用打靶法容易对同伦初始问题进行求解,在同伦过程中能连续稳定地跟踪同伦参数,进而得到所需的燃料最优小推力转移轨道,利用该方法能有效地解决J2项摄动导致的非线性强、推力小、转移圈数多等原因所导致的一般数值优化算法不易收敛的难题.

关键词：轨道转移 J2项摄动小推力推进同伦方法最优控制

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航天器有限推力轨道转移的轨迹优化方法

西南交通大学学报 2013年第2期48卷 390-394页

作者：王常虹曲耀斌陆智俊安昊夏红伟马广程哈尔滨工业大学航天学院黑龙江哈尔滨150001 上海航天控制工程研究所上海200233

为使小推力发动机航天器在航行中实现轨道快速机动并有效节省燃料,提出了基于拟谱法的航天器轨道转移轨迹优化方法.采用改进的赤道轨道根数,基于高斯动力学方程建立了航天器轨道转移过程的数学模型,克服了经典轨道根数当偏心率为0,或者... 详细信息

为使小推力发动机航天器在航行中实现轨道快速机动并有效节省燃料,提出了基于拟谱法的航天器轨道转移轨迹优化方法.采用改进的赤道轨道根数,基于高斯动力学方程建立了航天器轨道转移过程的数学模型,克服了经典轨道根数当偏心率为0,或者轨道倾角为0°或90°时的奇异问题,给出了航天器轨道转移燃料最优性能指标函数以及终端约束和路径约束条件;采用拟谱法,将原始的连续最优控制问题转化为非线性规划问题;利用SNOPT(sparse nonlinear optimizer)算法求解最优轨迹,并提出了具体设计步骤和方法.仿真结果表明:与fmincon优化方法相比,发动机最大推力为20 N时,本文的优化方法寻优时间减少61%,节省燃料18%.

关键词：轨道转移拟谱法轨迹优化有限推力

基于大幅值Lyapunov轨道的地月转移轨道设计研究

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航空学报 2014年第5期35卷 1209-1215页

作者：谭明虎张科吕梅柏邢超西北工业大学航天飞行动力学国家级重点实验室陕西西安710072 西北工业大学航天学院陕西西安710072

基于平面圆形限制性三体问题模型,利用与绕月轨道相切的大幅值Lyapunov周期轨道,提出了一种新的地月转移轨道设计方法。根据Poincaré截面与限制性三体问题动力学系统对称性计算得到的大幅值Lyapunov轨道,通过与绕月轨道拼接,将地月转... 详细信息

基于平面圆形限制性三体问题模型,利用与绕月轨道相切的大幅值Lyapunov周期轨道,提出了一种新的地月转移轨道设计方法。根据Poincaré截面与限制性三体问题动力学系统对称性计算得到的大幅值Lyapunov轨道,通过与绕月轨道拼接,将地月转移问题转化为地球到大幅值Lyapunov轨道的转移问题。为保证探测器能够从近地轨道(LEO)切向逃逸到达大幅值Lyapunov轨道,通过计算其稳定流形,采用最近点作为Poincaré截面的终止条件求解探测器的初始状态,并根据初始状态完成地月轨道的设计。仿真结果表明,该地月转移策略相比于Hohmann转移,在同样只需要两次速度增量的前提下,约节约100m/s的速度增量,该研究为地月转移轨道的设计提供了一种新思路。

关键词：圆形限制性三体问题大幅值Lyapunov轨道数值方法稳定流形轨道转移

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地月低能轨道转移的混沌控制方法

宇航学报 2018年第7期39卷 751-759页

作者：郑越泮斌峰唐硕西北工业大学航天学院西安710072 陕西省空天飞行器设计重点实验室西安710072

针对航天器在混沌区域的滑行时间过长,提出一种低能地月轨道转移的混沌控制方法。首先通过地月圆形限制性三体问题(CRTBP)的庞加莱截面图,将混沌区域进行分层并分析其规律,再利用混沌轨道对初始状态高度敏感的特性,在尽可能减少运送时... 详细信息

针对航天器在混沌区域的滑行时间过长,提出一种低能地月轨道转移的混沌控制方法。首先通过地月圆形限制性三体问题(CRTBP)的庞加莱截面图,将混沌区域进行分层并分析其规律,再利用混沌轨道对初始状态高度敏感的特性,在尽可能减少运送时间的前提下实现地月低能轨道转移。该方法的优点是利用混沌区域的固有规律,不需要依靠周期轨道特性。仿真结果表明,本文提出方法仅需施加2~4次脉冲,明显缩短混沌区域的滑行时间,从而实现地月低能转移。

关键词：庞加莱截面混沌混沌控制圆形限制性三体问题轨道转移

持续推进地球轨道转移的直接优化方法(英文)

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Chinese Journal of Aeronautics 2009年第1期22卷 56-69页

作者：高扬李卫琪中国科学院光电研究院 100190 北京航空航天大学自动化学院 100191

对于一大类时间最省(单次推进)和燃料最省(多次推进)的中等推力水平持续推进地球轨道转移问题,本文给出了一种系统的直接优化方法。首先,对于具有倾角和偏心率的目标轨道,我们介绍了一种惯性坐标转换方法得到更具一般性的末端约束条件... 详细信息

对于一大类时间最省(单次推进)和燃料最省(多次推进)的中等推力水平持续推进地球轨道转移问题,本文给出了一种系统的直接优化方法。首先,对于具有倾角和偏心率的目标轨道,我们介绍了一种惯性坐标转换方法得到更具一般性的末端约束条件。这个转换避免了逆行赤道轨道对春分点轨道根数引起的奇异,同时也提高了求解优化问题的收敛性。多次打靶法在本文中也得到了应用,给出了针对不同形式的轨道转移如何分配多次打靶变量的方法。基于惯性坐标转换和多次打靶法,最优控制问题转换为利用非线性规划法求解的参数优化问题。本文给出了单次推进时间最省以及多达12次推进燃料最省的轨道转移仿真结果,所有收敛结果均以简单定义的初值迭代得到。最后,我们讨论了利用模型预测控制进行自主制导的潜在方案。

关键词：小推力轨道转移优化多次打靶可变比冲制导方案模型预测控制

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航天器Halo轨道间转移的滚动时域控制

宇航学报 2012年第8期33卷 1027-1034页

作者：彭海军谭述君吴志刚大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024 大连理工大学航空航天学院大连116024

针对航天器在日/地系统共线平动点附近Halo轨道族之间的轨道转移问题,提出了一种在线实时求解滚动时域控制的新方法。首先采用高效的辛自适应非线性最优控制数值算法,离线规划出航天器在不同Halo轨道之间转移的最优轨迹和最优控制输入... 详细信息

针对航天器在日/地系统共线平动点附近Halo轨道族之间的轨道转移问题,提出了一种在线实时求解滚动时域控制的新方法。首先采用高效的辛自适应非线性最优控制数值算法,离线规划出航天器在不同Halo轨道之间转移的最优轨迹和最优控制输入。然后提出一种在线实时求解滚动时域控制的新方法,基于已规划好的最优转移轨迹,应用滚动时域控制方法完成航天器在初始入轨偏差下的在线实时制导控制任务。最后的非线性动力学系统数值仿真结果表明:所提出的求解滚动时域控制的方法具有高效率特点,能够在线实时求解航天器在Halo轨道之间转移的制导控制问题,并很快消除初始入轨误差的影响。

关键词：平动点 Halo轨道轨道转移轨迹优化滚动时域控制

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面内轨道转移过程中的绳系系统摆振特性研究

航空学报 2012年第7期33卷 1245-1254页

作者：孙亮赵国伟黄海朱鸥宁北京航空航天大学宇航学院北京100191

轨道转移过程中的绳系系统处于非开普勒轨道,导致系统呈现复杂的动力学行为并影响着星体的飞行安全,因此研究系统摆振特性具有重要的理论和实际意义。针对复杂的非线性和强耦合问题,利用动量矩定理建立绳系系统姿态动力学方程,以切向常... 详细信息

轨道转移过程中的绳系系统处于非开普勒轨道,导致系统呈现复杂的动力学行为并影响着星体的飞行安全,因此研究系统摆振特性具有重要的理论和实际意义。针对复杂的非线性和强耦合问题,利用动量矩定理建立绳系系统姿态动力学方程,以切向常值加速度轨道转移为任务背景,给出了系统质心运动轨迹;通过分析面内摆角的静态分岔现象,推导了面内、面外摆角的一阶摆动解析解;引入经典的珠点模型,研究系绳纵向和横向的振动特性,并分析了系绳摆动与系绳振动之间的耦合关系。仿真结果表明:面内轨道转移过程中,面内、面外摆角以固定的频率绕平衡位置做往返摆动,摆动频率大小以及平衡位置的变化均与系绳长度、推力加速度和所处轨道密切相关,面内摆角摆动频率接近轨道角频率时会引起共振现象,系绳在轨道转移过程中会出现大幅度横向振动等现象。

关键词：绳系系统轨道转移动力学摆振特性常值推力