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利用连续推力的人工太阳同步轨道设计方法

宇航学报 2016年第10期37卷 1164-1170页

作者：雪丹任迪赵峭北京空间飞行器总体设计部北京100094 中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室北京100094

针对人工太阳同步轨道的设计方法进行研究,通过施加法向连续推力调整升交点赤经(RAAN)变化率。首次推导了升交点赤经在变方向推力作用下的周期摄动平均值的精确计算公式,解决了已有近似方法对相关轨道参数的取值范围存在限制的问题,并... 详细信息

针对人工太阳同步轨道的设计方法进行研究,通过施加法向连续推力调整升交点赤经(RAAN)变化率。首次推导了升交点赤经在变方向推力作用下的周期摄动平均值的精确计算公式,解决了已有近似方法对相关轨道参数的取值范围存在限制的问题,并给出了对应的轨道倾角周期摄动平均值计算公式。在分析J2项摄动对升交点赤经影响的基础上,给出了所需的法向连续推力幅值和一个轨道周期内对应的速度增量的计算方法。通过数值仿真,校验了计算公式的正确性,分析了实现人工太阳同步轨道的连续法向推力对轨道倾角的影响,给出了连续推力幅值随轨道参数的变化规律,并且提出了未来工程任务的应用建议。

关键词：人工太阳同步轨道连续推力升交点赤经周期摄动

基于遗传算法的连续推力最短时间转移轨道设计

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西北工业大学学报 2012年第2期30卷 187-191页

作者：高怀朱战霞刘剑西北工业大学航天学院航天飞行动力学技术国家级重点实验室中国人民解放军96363部队

针对连续推力作用下的最优轨道转移问题,在推力不变的条件下,考虑时间最优,设计了最优转移轨道和推力的作用方式。首先,建立描述连续推力轨道转移的状态方程,用变分法进行求解;然后,分别基于极小值原理和bang-bang控制原理推导出用协态... 详细信息

针对连续推力作用下的最优轨道转移问题,在推力不变的条件下,考虑时间最优,设计了最优转移轨道和推力的作用方式。首先,建立描述连续推力轨道转移的状态方程,用变分法进行求解;然后,分别基于极小值原理和bang-bang控制原理推导出用协态变量表示的时间最优制导律,其中基于极小值原理的最优控制避开了bang-bang控制可能出现的奇异区间。由于协态变量无法求解解析解,文章采用遗传算法对协态变量进行优化求解。最后以同平面两个圆轨道为例进行了数值仿真,结果表明两种方法得到的最短时间基本相同,但采用极小值原理的最优转移轨道更加节省燃料。

关键词：连续推力极小值原理周向推力非开普勒轨道遗传算法 bang-bang控制

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连续推力最优轨道规避

科技导报 2009年第19期27卷 19-23页

作者：岳新成耿志勇北京大学工学院力学与空天技术系湍流与复杂系统国家重点实验室北京100871

应用非线性规划方法研究了连续推力时间最优和燃料最优航天器规避问题。航天器空间飞行中,为了避免与其他航天器或空间碎片相撞,需采取措施实施规避策略。由于航天器最优规避问题是典型的具路径约束的轨迹优化问题,间接法即应用极大值... 详细信息

应用非线性规划方法研究了连续推力时间最优和燃料最优航天器规避问题。航天器空间飞行中,为了避免与其他航天器或空间碎片相撞,需采取措施实施规避策略。由于航天器最优规避问题是典型的具路径约束的轨迹优化问题,间接法即应用极大值原理难于处理。考虑航天器推进系统为固定比冲发动机,用改进的轨道根数描述航天器动态,在给定最大推力幅值和中间过渡轨道时,将规避问题划分为转移和返回两个阶段,然后应用非线性规划方法统一考虑时间最优和燃料最优航天器最优规避问题。数值仿真结果表明,最优规避任务能够完成;在时间最优或燃料最优规避情形时,航天器均以最大推力工作,且时间最优规避时消耗燃料最少。

关键词：连续推力时间最优燃料最优规避非线性规划

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连续推力作用下卫星轨道的相对可达区域研究

飞行力学 2011年第1期29卷 63-65,88页

作者：李雪华和兴锁西北工业大学工程力学系陕西西安710129

在燃料一定的情况下,研究连续推力作用下卫星轨道的相对可达区域非常重要。通过对动力学模型的分析,将相对可达区域的计算转化为对最优控制问题的求解,通过对优化模型的分析,最终将最优控制问题的求解转化为对线性微分方程组的求解。给... 详细信息

在燃料一定的情况下,研究连续推力作用下卫星轨道的相对可达区域非常重要。通过对动力学模型的分析,将相对可达区域的计算转化为对最优控制问题的求解,通过对优化模型的分析,最终将最优控制问题的求解转化为对线性微分方程组的求解。给出了卫星轨道相对可达区域的确定方法,对不同燃料和时间限制情况下卫星的相对可达区域进行了计算、仿真和分析,并给出了相应的变化规律。

关键词：卫星轨道连续推力最优控制相对可达区域

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基于分段连续推力的中途修正方法(英文)

火力与指挥控制 2012年第5期37卷 71-76页

作者：晁宁李言俊西北工业大学航天学院西安710072

基于小偏差理论,对无摄三体动力学方程沿标称轨道线性化,推导了三体动力模型的误差线性模型。在此基础上,进一步利用该最优控制方法推导了转移轨道周期内的连续小推力控制方案,验证了控制加速度及状态量的收敛。同时针对整周期控制方式... 详细信息

基于小偏差理论,对无摄三体动力学方程沿标称轨道线性化,推导了三体动力模型的误差线性模型。在此基础上,进一步利用该最优控制方法推导了转移轨道周期内的连续小推力控制方案,验证了控制加速度及状态量的收敛。同时针对整周期控制方式在超调后状态量收敛速度慢的问题,通过分段连续推力控制模式(Segm en ta l Con tinuous T hrust Con tro l,SCTC)来近似瞬时脉冲推力控制模式,并给出了最短分段控制时间的计算方法。实验表明,SCTC模式加快了轨道状态的收敛速度。对于km级入轨偏差,通过1次控制即可使实际轨道收敛至标称轨道。

关键词：三体问题中途修正连续推力最优控制轨道控制

考虑摄动影响的连续推力轨道修正制导方法研究

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航天控制 2018年第4期36卷 19-22页

作者：周姜滨叶松张华明北京航天自动控制研究所北京100854

为较好地消除在轨空间飞行器的轨道偏差,提出了一种考虑摄动影响的连续推力轨道修正制导方法。将轨道修正问题转换为二体假设条件下的兰伯特变轨问题,求解所需要的速度增量,考虑地球非球形引力、大气阻力、日月引力及太阳光压等摄动因... 详细信息

为较好地消除在轨空间飞行器的轨道偏差,提出了一种考虑摄动影响的连续推力轨道修正制导方法。将轨道修正问题转换为二体假设条件下的兰伯特变轨问题,求解所需要的速度增量,考虑地球非球形引力、大气阻力、日月引力及太阳光压等摄动因素计算在与该速度增量等效的连续推力作用下空间飞行器的实际位置,利用实际位置与目标位置的偏差构造虚拟目标点,通过迭代计算给出连续推力轨道修正制导指令,空间飞行器接收并执行该指令进行轨道修正。仿真表明该轨道修正制导方法制导精度较高。

关键词：连续推力轨道修正兰伯特问题制导方法

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卫星编队连续推力控制的燃料平衡方法

航天器工程 2016年第1期25卷 19-24页

作者：段晨阳赵亚飞张世杰孔宪仁哈尔滨工业大学卫星技术研究所哈尔滨150080

在卫星编队飞行中,编队重构等机动过程会导致整个编队卫星之间燃料消耗不均匀,甚至出现某一成员卫星燃料消耗完,而导致整个编队构型提前结束乃至任务失败。针对该问题,文章提出了在卫星编队轨道重构过程中可采用的一种燃料平衡方法,即... 详细信息

在卫星编队飞行中,编队重构等机动过程会导致整个编队卫星之间燃料消耗不均匀,甚至出现某一成员卫星燃料消耗完,而导致整个编队构型提前结束乃至任务失败。针对该问题,文章提出了在卫星编队轨道重构过程中可采用的一种燃料平衡方法,即基于连续推力控制,以燃料最优为控制目标,通过建立燃料消耗函数,推导了不同相位角及重构半径时的最优控制加速度,通过减小各从星之间的燃料消耗函数的差异,使得不同成员卫星燃料消耗差别最小。编队卫星燃料平衡程度取决于初始相位角,文章给出了最佳初始相位角的表达式。最后,对以一主二从的三星编队在从星轨道重构中的从星燃料平衡问题进行了仿真,分别验证了卫星编队连续推力控制方法和编队卫星燃料平衡方法的正确性和有效性。

关键词：卫星编队轨道重构燃料平衡连续推力

基于傅立叶级数展开的航天器连续推力机动轨道设计

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基于傅立叶级数展开的航天器连续推力机动轨道设计

作者：王雪峰西北工业大学

学位级别：硕士

未来的空间活动要求航天器具备快速、自主、精确的轨道机动能力。近年来,因为研究连续推力轨道机动技术具有重要的工程和理论意义,其已成为国内外学者研究的热点。基于形状的航天器连续推力轨道设计方法(形状方法)作为连续推力轨道设计... 详细信息

未来的空间活动要求航天器具备快速、自主、精确的轨道机动能力。近年来,因为研究连续推力轨道机动技术具有重要的工程和理论意义,其已成为国内外学者研究的热点。基于形状的航天器连续推力轨道设计方法(形状方法)作为连续推力轨道设计的重要组成部分,具有重要的实用价值与理论意义。本文将针对航天器连续推力轨道的初始设计问题,研究基于傅立叶级数展开的航天器连续推力轨道形状设计方法,为航天器机动轨道设计提供新的思路和方法。具体内容包括以下几点:(1)详细分析了国内外形状方法的研究现状,针对当前现有的形状方法存在的问题进行了深入的论述,指出了形状方法研究的意义。(2)建立了极坐标系下的航天器二维平面运动模型。基于平面运动模型,针对航天器不受推力大小约束情况,结合最优控制理论的相关内容,研究了基于傅立叶级数法展开的航天器机动轨道设计方法(傅立叶级数法)。与此同时,拓展了傅立叶级数法,使之可以应用于飞行时间自由的情况。(3)基于平面运动模型,考虑太阳帆/电推进结合的混合推力模式,扩展了傅立叶级数法的应用,并分析混合推力对形状轨道特性的影响。(4)建立了柱坐标系下的航天器三维空间运动模型。基于空间运动模型,针对航天器受推力大小约束的情况,研究了基于傅立叶级数展开的航天器三维空间机动轨道设计方法。

关键词：连续推力轨道机动形状方法傅立叶级数

基于Bezier曲线的连续推力机动轨道设计

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基于Bezier曲线的连续推力机动轨道设计

作者：潘晓东哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着深空探测技术的发展,人们希望航天器的探测距离更远、探测任务更为复杂,具有小推力、高比冲的连续小推力推进航天器成为目前研究的热门。基于形状方法的初始轨道设计作为轨道优化的基础,其对轨道的初始估计的优劣对后续的轨道优化... 详细信息

随着深空探测技术的发展,人们希望航天器的探测距离更远、探测任务更为复杂,具有小推力、高比冲的连续小推力推进航天器成为目前研究的热门。基于形状方法的初始轨道设计作为轨道优化的基础,其对轨道的初始估计的优劣对后续的轨道优化有很大的影响,采用合理准确的方法和策略对航天器转移轨道进行初始估计,是目前连续推力航天器轨道研究的热点之一。Bezier曲线具有形状控制简单、曲线无限连续的特点,本文将Bezier曲线应用到连续推力航天器轨道初始设计中,提出基于Bezier曲线的连续推力机动轨道设计方法,论文主要工作如下:首先,本文介绍了轨道研究中所需的时间系统和参考坐标系,并基于忽略摄动影响的理想二体模型,详细推导了二维极坐标系和三维柱坐标系下连续推力航天器的轨道动力学方程,是本文后续研究的理论基础。然后,本文将Bezier曲线应用到二维平面机动轨道中,将描述航天器运动的极轴和极角在Bezier曲线下展开,将求解轨道参数问题转化为求解Bezier曲线函数位置参量问题。针对时间最优和燃料最优优化指标,分别给出基于Bezier曲线的轨道设计过程。并与采用高斯伪谱法进行优化后得到的优化轨道比较,评估Bezier曲线在二维平面机动轨道设计中的能力。之后,针对目前研究应用广泛的太阳帆航天器和电推进航天器,分别研究二者基于Bezier曲线的机动轨道设计问题。Bezier曲线法得到的初始设计结果与优化结果比较,评估Bezier曲线在复杂推力模型下的轨道设计性能。最后,本文将Bezier曲线应用到三维机动轨道设计中,以大轨道倾角的“地球—小行星3671”的转移轨道为例,研究Bezier曲线在三维轨道设计中的性能。在基于Bezier曲线的初始轨道设计结果基础上,采用高斯伪谱法得到优化轨道,对初始设计结果进行评估。结果表明,基于Bezier曲线的连续推力机动轨道设计方法能够实现二维平面和三维空间的机动轨道设计,对复杂推力模型的电推进、太阳帆也能够实现合理的轨道设计。通过与优化轨道比较分析,可以认为Bezier曲线法能够在很短的时间得到准确有效的结果。

关键词：连续推力轨道机动形状方法 Bezier曲线