有约束的能量最优轨道转移问题

摘要

随着空间技术的发展，航天器的工作任务越来越复杂。因此有约束的轨道机动问题成为了众多学者关心的问题，有着极其重要的研究价值。本文研究了路径约束条件下的能量最优轨道设计问题，主要包含以下几个方面的内容：　　首先，提出了一种新的能量最优 Lambert问题求解方法。利用转移轨道偏心率的切向分量表示转移轨道和速度增量，并且推导了最优转移轨道满足的充分必要条件。算法适用于圆轨道和椭圆轨道,可以应用于共面轨道间的轨道转移,也可以解决异面轨道间的能量最优轨道转移问题,对转移角为180°时的情况也同样适用。仿真算例证明了算法的有效性。　　其次，介绍了躲避机动问题，分析了主矢量理论在该问题中的应用。给出了有约束条件下最优轨道满足的必要条件。完成了两脉冲、三脉冲和多脉冲情况下主矢量方法的推导。通过 BFGS（ Broydon-Fletcher-Goldfarb-Shanno）数值算法，对转移轨道进行优化。结果表明主矢量优化方法具有启发性和收敛速度快的优点，但对初值依赖性大，可能会收敛到局部最优解。　　最后，结合主矢量方法和直接优化方法各自的优点，提出了一种混合轨迹优化方法。首先假定脉冲数，通过遗传算法和非线性规划方法进行优化。得到优化结果后，利用主矢量方法分析是否满足最优条件，确定进一步的优化方案，直到满足优化要求。通过仿真证明对于躲避机动问题，四脉冲轨道机动通常可以得到较好的结果。

目录

有约束的能量最优轨道转移问题

FUEL OPTIMAL ORBIT TRANSFERPROBLEM WITH CONSTRAINTS

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 航天器的轨道机动概念和类型

1.1.2 路径约束的轨道机动问题

1.2 路径约束轨道机动研究的发展现状

1.3 论文主要内容

第2章 理论基础

2.1 引言

2.2 由状态矢量计算轨道要素

2.3 由轨道要素计算状态矢量

2.4 CW相对运动方程

2.5 主矢量理论

2.5.1 主矢量的定义

2.5.2 最优机动轨道的必要条件

2.5.3 非最优机动轨道的主矢量

2.5.4 中间脉冲间的主矢量计算

2.5.5 初始、末端滑行段的主矢量计算

2.5.6 基于主矢量方法的轨迹优化

2.6 本章小结

第3章 能量最优Lambert问题

3.1 引言

3.2 基于切向偏心率的能量最优Lambert算法

3.2.1 基本椭圆

3.2.2 转移轨道面关于切向偏心率的轨道参数

3.2.3 地心参考坐标系与转移轨道坐标系的转化

3.2.4 计算速度变化的幅值

3.2.5 能量最优轨道

3.2.6 奇异情况求解

3.3 仿真实例

3.4 本章小结

第4章 主矢量方法求解躲避返回机动

4.1 引言

4.2 约束条件下最优机动轨道的主矢量

4.3 三脉冲躲避返回机动

4.4 两脉冲躲避返回机动

4.5 多脉冲躲避返回机动

4.6 主矢量方法优化实现

4.7 仿真实例

4.8 本章小结

第5章 混合法优化躲避机动

5.1 引言

5.2 非线性规划法和遗传算法

5.2.1 非线性规划方法优化

5.2.2 遗传算法非线性规划结合优化

5.3 躲避机动问题的分析

5.4 混合法优化仿真实例

5.4.1 两脉冲优化

5.4.2 三脉冲优化

5.4.3 四脉冲优化

5.4.4 五脉冲优化

5.4.5 结果分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致 谢