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

1、在深空探測(cè)任務(wù)中，由于探測(cè)目標(biāo)距離地球遙遠(yuǎn)，探測(cè)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(lái)，以太陽(yáng)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(cè)器的有效載荷，增加探測(cè)任務(wù)的科學(xué)回報(bào)。與此同時(shí)，其推力小、工作時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)也給深空探測(cè)轉(zhuǎn)移軌道的設(shè)計(jì)與優(yōu)化帶來(lái)了新的難題和挑戰(zhàn)。
　　本學(xué)位論文結(jié)合863計(jì)劃項(xiàng)目“深空探測(cè)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(jì)技術(shù)研究”和國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“深空探測(cè)轉(zhuǎn)移軌道機(jī)理與優(yōu)化方法研究”，針對(duì)深空探測(cè)任務(wù)的小推力轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)與優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　研究了環(huán)繞行星小推力轉(zhuǎn)移軌道的設(shè)計(jì)問(wèn)題。將最優(yōu) Lyapunov反饋控制設(shè)計(jì)方法擴(kuò)展到太陽(yáng)帆飛行器軌道的設(shè)計(jì)問(wèn)題。在分析太陽(yáng)帆加速度所受約束特點(diǎn)基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出太陽(yáng)帆在最優(yōu) Lyapunov反饋意義下的實(shí)際指向，然后，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化

3、方法對(duì) Lyapunov權(quán)重進(jìn)行調(diào)整以獲得時(shí)間最省轉(zhuǎn)移軌道。同時(shí)，提出一種基于最優(yōu)加權(quán)組合控制律的軌道設(shè)計(jì)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(guò)最優(yōu)推力分配和目標(biāo)偏差兩個(gè)策略對(duì)各控制律進(jìn)行加權(quán)組合，將軌道設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的權(quán)重調(diào)整尋優(yōu)問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)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(jì)問(wèn)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(jì)問(wèn)題。改進(jìn)

4、了基于正弦指數(shù)曲線逼近的軌道設(shè)計(jì)方法。通過(guò)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(wèn)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(guò)多冗余計(jì)算的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合正弦指數(shù)曲線和軌道動(dòng)力學(xué)特性，縮減了設(shè)計(jì)參數(shù)的搜索域，進(jìn)一步提高了該方法的設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，還提出一種基于參考軌道的混合設(shè)計(jì)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(wèn)題，避免了正弦指數(shù)方法推力方向固定的假設(shè)，通過(guò)有推力借力和

5、氣動(dòng)輔助借力策略來(lái)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(wèn)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(shí)間段內(nèi)，通過(guò)五階多項(xiàng)式對(duì)飛行器位置曲線進(jìn)行逼近，利用四階 Gauss-Labatto積分公式和動(dòng)力學(xué)的雙積分特性，將單軸動(dòng)力學(xué)方程離散化為在插值節(jié)點(diǎn)處的兩個(gè)靜態(tài)約束，從而在不增加約束個(gè)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(shí)，針對(duì)長(zhǎng)推

6、力弧段轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化問(wèn)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(guò)共軛狀態(tài)對(duì)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(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)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(duì)小推力火星探測(cè)任務(wù)的轉(zhuǎn)移方案進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)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(duì)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