本文關(guān)鍵詞：深空探測器的軌道設(shè)計與優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）》 2010年

深空借力飛行/小推力軌道設(shè)計與優(yōu)化

李小玉  

【摘要】： 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)都已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。基于C3軟匹配思想,附加脈沖機動的借力飛行允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EMJ軌道設(shè)計算例對軟件的功能進行了說明,驗證了前文中所述軌道設(shè)計策略的有效性。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：V412.41
【目錄】：

摘要5-7

Abstract7-18

第1章 緒論18-32

1.1 課題背景和意義18-29

1.1.1 深空探測任務(wù)及轉(zhuǎn)移軌道方案綜述19-24

1.1.2 借力飛行軌道設(shè)計優(yōu)化方法綜述24-26

1.1.2.1 借力飛行機理研究24-25

1.1.2.2 借力飛行軌道設(shè)計優(yōu)化方法25-26

1.1.3 小推力軌道設(shè)計優(yōu)化方法綜述26-29

1.1.3.1 動力學(xué)模型處理27

1.1.3.2 小推力轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化方法27-29

1.2 本文主要研究內(nèi)容29-32

第2章 深空軌道動力學(xué)模型32-40

2.1 軌道動力學(xué)坐標系32-33

2.2 探測器的攝動方程33-36

2.2.1 笛卡爾坐標系下的軌道攝動模型33-34

2.2.2 經(jīng)典Kepler 軌道根數(shù)攝動運動方程34-35

2.2.3 改進春分點軌道根數(shù)攝動方程35-36

2.3 星歷數(shù)據(jù)36-40

第3章 借力飛行軌道設(shè)計40-50

3.1 星際轉(zhuǎn)移軌道40-44

3.2 借力點處飛越軌道44-50

第4章 附加脈沖機動的借力飛行軌道設(shè)計50-60

4.1 附加脈沖機動的借力飛行機理50-55

4.2 附加脈沖機動的借力飛行問題求解55-60

第5章 借力飛行軌道優(yōu)化60-72

5.1 借力飛行圖形分析方法60-63

5.1.1 能量等高線圖60-62

5.1.2 P-Rp 圖62-63

5.2 借力飛行軌道混合優(yōu)化方法63-72

5.2.1 目標函數(shù)和設(shè)計約束64-65

5.2.2 基于遺傳算法的全局優(yōu)化65-67

5.2.3 基于解析梯度的局部優(yōu)化67-72

第6章 小推力軌道設(shè)計與優(yōu)化72-82

6.1 小推力軌道設(shè)計最優(yōu)控制問題的數(shù)學(xué)描述72-74

6.2 基于混合法小推力軌道設(shè)計74-76

6.2.1 混合法理論基礎(chǔ)74-75

6.2.2 設(shè)計算例75-76

6.3 基于標稱軌道法的小推力軌道設(shè)計76-82

6.3.1 標稱軌道法理論基礎(chǔ)77-78

6.3.2 設(shè)計算例78-82

第7章 借力飛行軌道設(shè)計優(yōu)化軟件82-94

7.1 軟件的層次結(jié)構(gòu)82-84

7.2 軟件的功能及接口84-89

7.3 設(shè)計實例89-94

第8章 結(jié)論94-96

參考文獻96-100

致謝100

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8 楊學(xué)彬;基于三體模型的星際軌道設(shè)計和控制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

9 葛春生;深空探測器軌道設(shè)計與修正方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

10 謝金華;遙感衛(wèi)星軌道設(shè)計[D];中國人民解放軍信息工程大學(xué);2005年

  本文關(guān)鍵詞：深空探測器的軌道設(shè)計與優(yōu)化，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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