特定推力方向下的航天器远程交会轨道优化与设计

摘要

航天器轨道优化与设计是优化理论在航空航天领域中的一个最早应用，航天器轨道优化与设计问题属于最优控制问题。庞特里亚金的极小值原理和动态规划法的提出为最优控制问题的解决带来希望。在此之后，各国学者以此为基础对航天器轨道优化问题进行了更深入的研究。在这些研究中，多数以脉冲推力为主。近年来，许多学者越来越关注连续推力形式的轨道优化问题。传统的连续推力方式中推力的方向不受约束，被认为是自由可变的，而这在实际太空领域是难以实现的。考虑到推力方式易于在空间领域实施的因素，本文对特定推力方向下的航天器远程交会问题进行了研究。
　　首先，根据不同的坐标系，选择不同的方式来描述航天器的运动状态，推导出各种描述方式之间的相互转换关系并确定各种描述方式的动力学方程。建立航天器所受推力的力学模型，并将特定推力方向的力学模型与连续推力模型进行比较分析。对相关参数变量进行无量纲处理，以得到更高的计算精度及更稳定的结果。
　　其次，针对不同的动力学模型和推力模型，分别利用庞特里亚金的极小值原理确定各自的最优控制。对于特定推力方向的力学模型，对仅存在单方向推力以及存在多方向推力的情况分别进行了分析与研究，得出各自的最优控制方程，并对最优控制方程中的不连续现象进行平滑处理，避免了过程中的不连续问题，为后续的模拟仿真计算提供理论依据。
　　再次，选择优化算法。分析量子粒子群算法和序列二次规划算法各自的优劣，并针对两种优化方法各自的优缺点，提出了将两种方法串联使用的方案。这种组合方法使两种优化方法最大限度的发挥了自己的优势，提高了计算的稳定性以及结果的精度，整体发挥出较好的效果。
　　接着，分别针对共面和非共面交会问题采用连续推力模型和特定推力方向的力学模型进行模拟仿真计算，根据计算结果，对两种推力模型的燃料消耗情况进行分析，确定了特定推力方向的力学模型的结果易于在空间操作中实现的优势，并对特定推力方向的力学模型的相关规律进行了研究。
　　最后，对本文的研究结果进行总结，得出与特定推力方向的力学模型相关的结论并对特定推力方向的力学模型存在的可研究空间进行了展望。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 轨道优化问题中优化方法的研究现状

1．2．2 特定推力方向下的轨道优化研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 航天器轨道动力学建模

2．1 轨道动力学常用坐标系

2．2 航天器运动状态的描述方法

2．3 状态向量与轨道根数的相互转换

2．3．1 根据状态向量计算轨道根数

2．3．2 根据轨道根数计算状态向量

2．4 航天器轨道动力学方程

2．4．1 惯性坐标系下的轨道动力学方程

2．4．2 经典轨道根数形式的轨道动力学方程

2．4．3 改进春分点轨道根数形式的轨道动力学方程

2．5 航天器的力学模型

2．5．1 连续推力的力学模型

2．5．2 特定推力方向的力学模型

2．6 归一化处理

第3章 航天器轨道机动的最优控制原理

3．1 连续系统的庞特里亚金极值原理

3．2 连续推力下航天器轨道机动的最优控制

3．2．1 惯性坐标系下轨道动力学方程的极值原理

3．2．2 轨道根数形式的轨道动力学方程的极值原理

3．3 特定推力方向下轨道动力学方程的极值原理

3．3．1 单向推力下的极值原理

3．3．2 存在多方向推力时的极值原理

3．4 最优控制的平滑处理

3．4．1 连续推力最优控制的平滑处理

3．4．2 特定推力方向下的最优控制的平滑处理

第4章 优化方法的应用

4．1 人工智能算法的选取

4．2 非线性规划问题的算法选择

第5章 优化仿真计算及结果分析

5．1 共面问题计算分析

5．1．1 仅存在周向推力的共面问题计算分析

5．1．2 存在径向推力和周向推力的共面问题计算分析

5．2 非共面问题计算分析

5．3 单一方向上推力变化的影响

第6章 结论与展望

6．1 工作总结

6．2 论文结论

6．3 研究展望

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间参与科研情况、获奖情况及论文发表情况