深空借力飛行-小推力軌道設(shè)計與優(yōu)化.pdf

1、深空探測作為未來航天發(fā)展的重點和熱點領(lǐng)域,太陽探測、月球探測、小行星探測等深空探測任務(wù)都己開始實施或提上日程。深空探測軌道設(shè)計作為深空探測任務(wù)規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一,如何滿足各項設(shè)計約束條件的基礎(chǔ)上以最低的能量代價完成預(yù)定的探測目標是研究的重點。本文主要研究和討論了借力飛行和小推力軌道設(shè)計建模及優(yōu)化算法,并開發(fā)了借力飛行軌道設(shè)計優(yōu)化軟件。具體而言,主要包括以下幾個部分:
　　 首先,文中研究了傳統(tǒng)借力飛行軌道設(shè)計問題。按照圓錐曲線拼

2、接法,借力飛行軌道設(shè)計主要包括日心轉(zhuǎn)移軌道段和借力天體飛越軌道段。對于日心轉(zhuǎn)移軌道段的求解,已知發(fā)射時間和到達時間,通過查詢星歷即可將問題轉(zhuǎn)化為求解已知飛行時間和初末位置的Lambert問題。在借力天體影響球內(nèi)探測器的軌道為雙曲線軌道。文中討論了借力前后探測器速度、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算方法。
　　 其次,文中研究了附加脈沖機動的借力飛行軌道設(shè)計問題?；贑3軟匹配思想,附加脈沖機動的借力飛行允

3、許在借力點處施加脈沖機動已取得期望的借力效果。文中首先結(jié)合具體算例對附加脈沖對借力前后探測器的速度、能量、角動量進行了分析。隨后結(jié)合軌道設(shè)計問題,文中對附加脈沖的求解進行了建模,該問題的優(yōu)化為多變量非線性優(yōu)化問題。結(jié)合月球借力飛行設(shè)計算例,本文利用遺傳算法和二次規(guī)劃算法對附加脈沖機動的大小、方向和位置進行了求解,證明了該建模的有效性。
　　 隨后,對借力飛行軌道設(shè)計問題的優(yōu)化算法進行了研究。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)計策略。圖形分析法采用P-Rp曲線確定借力目標的序列,并利用能量等高線圖確定設(shè)計參數(shù)的可行域和時序,為搜索發(fā)射窗口提供了參考初值,避免了傳統(tǒng)方法對借力交會目標序列和初始軌道段的假設(shè)。針對借力飛行發(fā)射窗口搜索問題,本文提出了結(jié)合梯度修正的遺傳算法對問題進行優(yōu)化。首先,利用遺傳算法對問題進行全局優(yōu)化,之后再利用發(fā)射能量對設(shè)計飛行時間參數(shù)的梯度進行局部精確搜索,文中對該混合設(shè)計方法給出了具體的計算流程。
　　 針對小

5、推力軌道設(shè)計建模與優(yōu)化問題,文中用最優(yōu)控制理論的龐德李亞金極大值原理對小推力軌道設(shè)計進行了分析,將小推力軌道設(shè)計優(yōu)化問題歸結(jié)為非線性微分方程的兩點邊值問題。文中給出了改進春分點軌道根數(shù)模型下的小推力最優(yōu)控制率表達式。之后,文中研究了兩種小推力軌道設(shè)計方法:混合法和標稱軌道法。
　　 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),將微分方程的兩點邊值問題轉(zhuǎn)化為參數(shù)優(yōu)化問題,提高了

6、問題的收斂性。隨后文中結(jié)合近地LEO—GEO小推力轉(zhuǎn)移設(shè)計實例,利用混合法進行優(yōu)化,給出了轉(zhuǎn)移過程中小推力發(fā)動機的控制率。
　　 標稱軌道法引入了標稱軌道的概念,將小推力軌道在Kepler標稱軌道附近線性化,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。在太陽高緯度探測器軌道設(shè)計中,利用該方法設(shè)計了小推力轉(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,通過木星借力實現(xiàn)了太陽極

7、軌軌道的設(shè)計任務(wù)。
　　 最后介紹了基于前述借力飛行軌道設(shè)計優(yōu)化方法開發(fā)的軌道設(shè)計優(yōu)化軟件。該軟件用Matlab開發(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)計策略,采用模塊化設(shè)計,由計算模塊、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)計優(yōu)化等借力飛行軌道設(shè)計需要用到的基本分析手段和優(yōu)化方法,文中結(jié)合