小推力轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計與優(yōu)化方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、在深空探測任務(wù)中，由于探測目標(biāo)距離地球遙遠(yuǎn)，探測器通常需要消耗巨大的能量才能實(shí)現(xiàn)向目標(biāo)軌道的轉(zhuǎn)移，傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)已顯現(xiàn)出其不足。近幾年來，以太陽能電推進(jìn)為代表的高效推進(jìn)系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展和廣泛關(guān)注。小推力推進(jìn)系統(tǒng)可以有效提高探測器的有效載荷，增加探測任務(wù)的科學(xué)回報。與此同時，其推力小、工作時間長的特點(diǎn)也給深空探測轉(zhuǎn)移軌道的設(shè)計與優(yōu)化帶來了新的難題和挑戰(zhàn)。
　　本學(xué)位論文結(jié)合863計劃項(xiàng)目“深空探測自主技術(shù)與仿真演示系統(tǒng)”、“星

2、際高速公路的低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計技術(shù)研究”和國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“深空探測轉(zhuǎn)移軌道機(jī)理與優(yōu)化方法研究”，針對深空探測任務(wù)的小推力轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計與優(yōu)化問題進(jìn)行了深入的研究。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　研究了環(huán)繞行星小推力轉(zhuǎn)移軌道的設(shè)計問題。將最優(yōu) Lyapunov反饋控制設(shè)計方法擴(kuò)展到太陽帆飛行器軌道的設(shè)計問題。在分析太陽帆加速度所受約束特點(diǎn)基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出太陽帆在最優(yōu) Lyapunov反饋意義下的實(shí)際指向，然后，通過參數(shù)優(yōu)化

3、方法對 Lyapunov權(quán)重進(jìn)行調(diào)整以獲得時間最省轉(zhuǎn)移軌道。同時，提出一種基于最優(yōu)加權(quán)組合控制律的軌道設(shè)計方法。該方法結(jié)合改進(jìn)春分點(diǎn)軌道根數(shù)模型，推導(dǎo)出了使各軌道根數(shù)變化最快的局部最優(yōu)控制律，通過最優(yōu)推力分配和目標(biāo)偏差兩個策略對各控制律進(jìn)行加權(quán)組合，將軌道設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為簡單的權(quán)重調(diào)整尋優(yōu)問題。在此基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建推進(jìn)器廣義開關(guān)函數(shù)，將該方法擴(kuò)展到燃料最省軌道設(shè)計問題。
　　研究了結(jié)合借力飛行技術(shù)的行星際小推力轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計問題。改進(jìn)

4、了基于正弦指數(shù)曲線逼近的軌道設(shè)計方法。通過提前引入借力和目標(biāo)星體星歷信息，構(gòu)建了正弦指數(shù)曲線描述下的小推力軌道兩點(diǎn)邊值問題并加以解決，有效克服了傳統(tǒng)方法軌道交點(diǎn)復(fù)雜難解、存在過多冗余計算的問題。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合正弦指數(shù)曲線和軌道動力學(xué)特性，縮減了設(shè)計參數(shù)的搜索域，進(jìn)一步提高了該方法的設(shè)計效率。同時，還提出一種基于參考軌道的混合設(shè)計方法。該方法采用參考軌道法求解單推力弧段兩點(diǎn)邊值問題，避免了正弦指數(shù)方法推力方向固定的假設(shè)，通過有推力借力和

5、氣動輔助借力策略來實(shí)現(xiàn)借力前后軌道的拼接，從而提高了搜索到可行軌道的可能性。
　　研究了小推力轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化問題。結(jié)合笛卡爾坐標(biāo)系模型的雙積分特性，提出一種改進(jìn)型直接配點(diǎn)優(yōu)化算法。該方法在每一時間段內(nèi)，通過五階多項(xiàng)式對飛行器位置曲線進(jìn)行逼近，利用四階 Gauss-Labatto積分公式和動力學(xué)的雙積分特性，將單軸動力學(xué)方程離散化為在插值節(jié)點(diǎn)處的兩個靜態(tài)約束，從而在不增加約束個數(shù)的條件下，提高了傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配點(diǎn)法的求解精度。同時，針對長推

6、力弧段轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化問題，提出一種基于微分進(jìn)化的全局優(yōu)化算法。該方法通過共軛狀態(tài)對控制量進(jìn)行參數(shù)化，采用微分進(jìn)化算法強(qiáng)大的全局搜索能力求解參數(shù)優(yōu)化問題，在此基礎(chǔ)上，通過分析算法的約束處理機(jī)制和收斂特性，給出了相應(yīng)的改進(jìn)策略，進(jìn)一步提高了優(yōu)化算法的求解精度和收斂效率。
　　在上述研究成果基礎(chǔ)上，對小推力火星探測任務(wù)的轉(zhuǎn)移方案進(jìn)行了詳細(xì)的計算與分析。首先，根據(jù)當(dāng)前小推力推進(jìn)器的發(fā)展水平，對小推力火星轉(zhuǎn)移方案進(jìn)行了論證，并給出了四種潛在的