深空探測器小推力軌道優(yōu)化設(shè)計方法及其應(yīng)用研究.pdf

1、在新一輪深空探測熱潮中，以電推進(jìn)系統(tǒng)為代表的小推力推進(jìn)技術(shù)由于比沖高、燃料消耗低，得到了迅猛發(fā)展并不斷應(yīng)用于深空探測任務(wù)中。論文以此為背景，開展了深空探測器小推力軌道優(yōu)化設(shè)計方法及其應(yīng)用研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　研究了小推力軌道設(shè)計的Gauss偽譜法，并從任務(wù)窗口的預(yù)先搜索和初值的快速生成兩個方面對其提出改進(jìn)。Gauss偽譜法是小推力軌道設(shè)計中的一種常用方法，該方法用全局Lagrange插值多項式來擬合狀態(tài)變量和控制變量，將小

2、推力最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題求解。針對小推力軌道設(shè)計中的任務(wù)窗口參數(shù)范圍跨度大、非連續(xù)性強(qiáng)、對設(shè)計結(jié)果影響顯著等特點，提出了一種基于多沖量能耗估算的任務(wù)窗口搜索方法，從而預(yù)先給出任務(wù)窗口的可行區(qū)域，有利于縮小搜索范圍，提高計算效率。同時，提出了一種由沖量向小推力直接轉(zhuǎn)化的Gauss偽譜法初值快速生成方式，快速獲得一條小推力軌道可行解以作為其初值，所生成的初值對提高Gauss偽譜法魯棒性、計算效率和結(jié)果都有促進(jìn)作用。
　　針

3、對直接打靶法中小推力軌道顯式積分效率低下的技術(shù)瓶頸，提出了小推力軌道設(shè)計的動力學(xué)分解方法。借鑒探月軌道設(shè)計中多圓錐截線方法的思路原理，提出一種動力學(xué)分解方法來快速獲得小推力軌道的近似解析解。該方法將一段時間內(nèi)的探測器動力學(xué)方程分解成相互獨立的幾項運動，分別給出它們的解析或近似解析解，然后疊加得到這段時間內(nèi)探測器軌道的近似解析解，再進(jìn)一步遞推快速得到整條小推力軌道。通過仿真算例詳細(xì)分析了動力學(xué)分解方法的軌道精度和計算效率，并將動力學(xué)分解方

4、法同改進(jìn)的Gauss偽譜法進(jìn)行了比較分析。
　　為簡化小推力軌道的求解過程，提出了一種小推力軌道設(shè)計的虛擬引力中心方法。該方法引入與太陽引力常數(shù)相同的虛擬引力中心，將探測器在日心引力和小推力作用下的運動轉(zhuǎn)化成虛擬引力中心的運動，探測器在以虛擬引力中心為原點的動系中仍然作二體軌道運動。進(jìn)而將小推力軌道設(shè)計問題轉(zhuǎn)化成虛擬引力中心的軌跡優(yōu)化問題。數(shù)值仿真驗證了小推力軌道與虛擬引力中心的軌跡的等效性，并將三種不同實現(xiàn)形式的虛擬引力中心方法

5、同動力學(xué)分解方法進(jìn)行了比較分析。
　　針對多顆小行星連續(xù)探測問題，研究了多目標(biāo)探測的全局優(yōu)化設(shè)計方案和多目標(biāo)探測序列選取方法。在深空探測時往往會連續(xù)探訪多顆目標(biāo)天體以增加任務(wù)的科學(xué)回報，這就涉及到多目標(biāo)探測的全局優(yōu)化設(shè)計問題。針對該問題，以小推力軌道設(shè)計方法為基礎(chǔ)，給出由相互聯(lián)系的四部分組成的全局優(yōu)化設(shè)計方案，并提出兩種多目標(biāo)探測序列選取方法，流管選星方法和回溯最佳優(yōu)先搜索方法。最后，針對一個典型的小推力探測器訪問多顆小行星的問題