深空借力飛行-小推力軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、深空探測(cè)作為未來(lái)航天發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)領(lǐng)域,太陽(yáng)探測(cè)、月球探測(cè)、小行星探測(cè)等深空探測(cè)任務(wù)都己開(kāi)始實(shí)施或提上日程。深空探測(cè)軌道設(shè)計(jì)作為深空探測(cè)任務(wù)規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一,如何滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)約束條件的基礎(chǔ)上以最低的能量代價(jià)完成預(yù)定的探測(cè)目標(biāo)是研究的重點(diǎn)。本文主要研究和討論了借力飛行和小推力軌道設(shè)計(jì)建模及優(yōu)化算法,并開(kāi)發(fā)了借力飛行軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件。具體而言,主要包括以下幾個(gè)部分:
　　 首先,文中研究了傳統(tǒng)借力飛行軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題。按照?qǐng)A錐曲線拼

2、接法,借力飛行軌道設(shè)計(jì)主要包括日心轉(zhuǎn)移軌道段和借力天體飛越軌道段。對(duì)于日心轉(zhuǎn)移軌道段的求解,已知發(fā)射時(shí)間和到達(dá)時(shí)間,通過(guò)查詢星歷即可將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解已知飛行時(shí)間和初末位置的Lambert問(wèn)題。在借力天體影響球內(nèi)探測(cè)器的軌道為雙曲線軌道。文中討論了借力前后探測(cè)器速度、能量和軌道傾角的變化,并推導(dǎo)給出了軌道傾角變化的解析計(jì)算方法。
　　 其次,文中研究了附加脈沖機(jī)動(dòng)的借力飛行軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題?；贑3軟匹配思想,附加脈沖機(jī)動(dòng)的借力飛行允

3、許在借力點(diǎn)處施加脈沖機(jī)動(dòng)已取得期望的借力效果。文中首先結(jié)合具體算例對(duì)附加脈沖對(duì)借力前后探測(cè)器的速度、能量、角動(dòng)量進(jìn)行了分析。隨后結(jié)合軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題,文中對(duì)附加脈沖的求解進(jìn)行了建模,該問(wèn)題的優(yōu)化為多變量非線性優(yōu)化問(wèn)題。結(jié)合月球借力飛行設(shè)計(jì)算例,本文利用遺傳算法和二次規(guī)劃算法對(duì)附加脈沖機(jī)動(dòng)的大小、方向和位置進(jìn)行了求解,證明了該建模的有效性。
　　 隨后,對(duì)借力飛行軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題的優(yōu)化算法進(jìn)行了研究。本文提出了結(jié)合圖形分析方法與發(fā)射窗口搜

4、索的借力飛行軌道設(shè)計(jì)策略。圖形分析法采用P-Rp曲線確定借力目標(biāo)的序列,并利用能量等高線圖確定設(shè)計(jì)參數(shù)的可行域和時(shí)序,為搜索發(fā)射窗口提供了參考初值,避免了傳統(tǒng)方法對(duì)借力交會(huì)目標(biāo)序列和初始軌道段的假設(shè)。針對(duì)借力飛行發(fā)射窗口搜索問(wèn)題,本文提出了結(jié)合梯度修正的遺傳算法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。首先,利用遺傳算法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行全局優(yōu)化,之后再利用發(fā)射能量對(duì)設(shè)計(jì)飛行時(shí)間參數(shù)的梯度進(jìn)行局部精確搜索,文中對(duì)該混合設(shè)計(jì)方法給出了具體的計(jì)算流程。
　　 針對(duì)小

5、推力軌道設(shè)計(jì)建模與優(yōu)化問(wèn)題,文中用最優(yōu)控制理論的龐德李亞金極大值原理對(duì)小推力軌道設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析,將小推力軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題歸結(jié)為非線性微分方程的兩點(diǎn)邊值問(wèn)題。文中給出了改進(jìn)春分點(diǎn)軌道根數(shù)模型下的小推力最優(yōu)控制率表達(dá)式。之后,文中研究了兩種小推力軌道設(shè)計(jì)方法:混合法和標(biāo)稱軌道法。
　　 混合法引入了協(xié)狀態(tài)變量和協(xié)狀態(tài)方程,但在求解過(guò)程中舍棄了橫截條件,將協(xié)狀態(tài)量的初值作為待優(yōu)化參數(shù),將微分方程的兩點(diǎn)邊值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題,提高了

6、問(wèn)題的收斂性。隨后文中結(jié)合近地LEO—GEO小推力轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)實(shí)例,利用混合法進(jìn)行優(yōu)化,給出了轉(zhuǎn)移過(guò)程中小推力發(fā)動(dòng)機(jī)的控制率。
　　 標(biāo)稱軌道法引入了標(biāo)稱軌道的概念,將小推力軌道在Kepler標(biāo)稱軌道附近線性化,根據(jù)線性系統(tǒng)理論推導(dǎo)了解析形式的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣,之后利用最優(yōu)控制理論推導(dǎo)得到了小推力最優(yōu)控制率。在太陽(yáng)高緯度探測(cè)器軌道設(shè)計(jì)中,利用該方法設(shè)計(jì)了小推力轉(zhuǎn)移軌道,并結(jié)合了文中提出的借力飛行軌道傾角確定算法,通過(guò)木星借力實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)極

7、軌軌道的設(shè)計(jì)任務(wù)。
　　 最后介紹了基于前述借力飛行軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化方法開(kāi)發(fā)的軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件。該軟件用Matlab開(kāi)發(fā)完成,使用方便,用戶界面友好。軟件基于前文中所述的借力飛行軌道設(shè)計(jì)策略,采用模塊化設(shè)計(jì),由計(jì)算模塊、星歷模塊、用戶界面模塊和輸出模塊組成。軟件的基本功能包括求解Lambert問(wèn)題、繪制能量等高線圖、搜索直接轉(zhuǎn)移發(fā)射窗口、繪制P-Rp圖和借力飛行軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化等借力飛行軌道設(shè)計(jì)需要用到的基本分析手段和優(yōu)化方法,文中結(jié)合