采用虚拟引力场的太阳帆/电推进混合推力机动轨道设计

针对连续小推力轨道设计问题,提出了一种采用虚拟引力场的太阳帆-电推进混合小推力轨道设计与优化方法。首先,给出了虚拟引力场的定义,以及太阳帆/电推进混合推力模型;然后建立了基于混合推进方法设计连续小推力机动轨道设计模型;并推导了该动力学模型的解析解;其次采用四阶龙格库塔数值方法分析了该解析解的精度,提出了误差因子参数的概念,采用误差因子参数约束来保证解析解精度。最后,以地球-火星转移轨道设计的算例,求解了采用太阳帆/电推进混合推进方式实现航天器轨道机动,并将其结果与单独电推力方法进行了对比。仿真结果表明,该方法能够大大减小燃料消耗以及轨道转移任务时间;与混合连续推力间接优化方法相比,该解析方法能够很大程度上减少计算时间。     

基于自动微分与伪谱法的小推力借力轨道设计

针对小推力借力轨道设计问题,给出一种基于自动微分与伪谱法的优化方法.借力模型采用B平面模型,提高了轨迹优化设计的鲁棒性.用高斯伪谱法对整个小推力借力轨道进行离散,将发射时间的搜索包含在同一计算框架内,避免了传统混合方法中随机搜索算法收敛慢、精度低的缺点.将得到的大规模非线性规划(NLP)问题采用序列二次规划(SQP)法进行求解,为实现NLP问题的快速收敛,提出了串联优化以及弹性约束策略.SQP需要的导数信息通过自动微分获得,保证了计算的高精度和快速收敛.对地球-金星-火星小推力借力轨道进行了优化设计,验证了本文方法的正确性和有效性.     

考虑J2项摄动的小推力燃料最优转移轨道设计

为优化得到考虑地球扁率J2项摄动影响的小推力燃料最优转移轨道,提出了一种3次同伦方法.构造较简单的采用"线性引力",且不考虑J2项摄动的大推力能量最优转移轨道作为同伦初始问题.引入3个同伦参数,分别对动力学模型、推力大小和性能指标进行同伦,根据极小值原理推导得到同伦过程中的最优控制律,并通过跟踪同伦参数的连续变化求解一系列的同伦迭代子问题,分别得到J2摄动模型下的大推力能量最优转移轨道和小推力能量最优转移轨道,并最终优化得到小推力燃料最优转移轨道.以航天器与位于太阳同步轨道的碎片的交会任务为算例进行数值仿真,验证所提出的3次同伦方法在求解J2项摄动影响下的小推力燃料最优转移轨道优化问题中的有效性.结果表明,利用打靶法容易对同伦初始问题进行求解,在同伦过程中能连续稳定地跟踪同伦参数,进而得到所需的燃料最优小推力转移轨道,利用该方法能有效地解决J2项摄动导致的非线性强、推力小、转移圈数多等原因所导致的一般数值优化算法不易收敛的难题.     

利用混合法进行地球-火星小推力轨道设计

研究固定推力幅值情况下燃料最省小推力轨道转移问题.利用混合法,即通过结合Pontryagin极小值原理和序列二次规划方法,舍弃了横截条件,避免了直接求解非线性两点边值问题,从而极大地提高了迭代的收敛性.以定常推力幅值地球-火星燃料最省小推力转移为例给出了混合法完整的计算步骤,仿真结果表明采用混合法收敛速度快,得到的状态和共轭状态轨线连续光滑,验证了混合法在设计行星际小推力转移轨道中的有效性.     

基于改进遗传算法的有限推力远程导引变轨策略

航天器在轨道转移过程中存在推力弧段,与脉冲轨道转移相比,有限推力轨道转移能够反映航天器在真实环境中的工作状态.本文采用改进遗传算法求解远程轨道能量最优的多脉冲变轨方案,在脉冲点处将脉冲量转换为推力弧段上的有限推力,实现了多脉冲机动远程导引向有限推力下远程导引变轨的转换,并对有限推力变轨方案速度增量方向进行修正,修正后变轨方案精度显著提高,与目标轨道相对位置误差大幅减小.     

基于标称轨道的小推力轨道设计方法

研究了推力可变情况下燃料最省小推力轨道转移问题。分析了传统轨道优化模型在数值求解过程中存在的困难,通过引入标称轨道的概念,提出了一种新的轨道优化模型———标称轨道优化模型。新的轨道优化模型克服了传统轨道优化模型在数值求解中存在的困难,并具有收敛速度快、初始猜测容易的优点。以飞行器从地球向火星的小推力转移为例,验证了标称轨道优化模型的正确性。最后给出了标称轨道优化模型的主要用途及适用范围。     

小推力轨道机动最优控制研究

研究航天器在小推力的作用下,椭圆轨道最优转移的一种解析解法.在牛顿中心力场中,采用地心惯性坐标系,选用合适的轨道根数,忽略其它摄动的影响,建立航天器转移的状态方程.应用Pontryagin极大值原理建立航天器最优推力加速度的控制方程,对方程进行合理的简化,只考虑它们的一次项,忽略其它的高次项,从状态方程中得出小推力对轨道根数产生的摄动影响,然后分别对它们进行积分,从而得到最优转移轨道的解析解.     

Chebyshev局部配点法在轨迹优化中的应用

伪谱法在轨迹优化中应用广泛,其中Chebyshev伪谱法在求解轨迹优化问题时具有较快的收敛性和较高的精度．为了证明Chebyshev局部配点法在求解轨迹优化等问题的可行性,给Chebyshev局部配点法的应用提供理论基础,研究了Chebyshev局部配点法收敛性和稳定性．文中以Hyper-sensitive问题和Minimum-energy为例,分别用Chebyshev局部配点法与传统插值方法和经典Chebyshev伪谱法求接,计算结果表明:Chebyshev局部配点法是可行和有效的. 该方法不仅在一定程度上相比于传统的插值法精度更高、计算速度更快,和经典Chebyshev伪谱法相比也略有优势．     

最小燃料消耗的有限推力轨道转移优化设计

介绍了伪光谱方法在空间飞行器轨道转移最优化问题中的应用。文中首先给出了空间飞行器轨道转移最优控制问题模型。然后,应用伪光谱方法将最优控制问题离散化为非线性规划问题,选取各配点上的状态量和控制量作为优化参数。最后应用基于Matlab语言的SNOPT软件包对参数最优化问题进行求解,该软件包对于求解大型非线性规划问题具有很好的收敛性。仿真结果表明伪光谱方法对于空间飞行器转移轨道初始参数取值不敏感,具有一定的鲁棒性。因此,伪光谱方法对于空间飞行器有限推力轨道转移问题的求解是可行的。     

改进的稀疏网格配点法对EIT电导率分布的不确定性量化

针对电阻抗成像（EIT）研究中电导率分布的不确定性问题,提出基于灵敏度分析的改进稀疏网格配点法以量化不确定性.以4层同心圆头模型为算例,采用基于方差的全局灵敏度分析法对其进行分析,发现各层电导率的变化对输出电位的影响程度各不相同.考虑模型中各维输入变量对输出结果不同程度的影响,改进传统稀疏网格配点法.改进方法对各维输入变量配置不同的精度水平,将EIT模型的隐式表达式转化为显式表达式,构造出高精度的替代模型.与蒙特卡洛（MC）法、混沌多项式展开（PCE）法和传统稀疏网格配点法相比,改进方法能够以更少的计算成本获得较高精度的量化结果.仿真结果验证了所提改进方法的高效性.     

Modified shapebased method for threedimensional trajectory design

Although the shape-based method has been proven to be useful for low-thrust trajectory design,and be capable to provide near-optimal solution for a more accurate trajectory optimization method,it is sl...     

基于最优状态反馈的小推力转移轨道制导策略

针对小推力变轨技术研究中的难点之一——飞行器的制导问题,提出了一种基于最优状态反馈的自主制导策略。首先利用传统Gauss型运动方程,推导出三个轨道根数增大最快的独立控制律;然后根据当前根数与目标值的偏差量对独立控制律进行加权组合;最后为高效可靠地获得最优制导律,采用一种遗传算法和逐次二次规划相结合的混合方法对权重进行了优化。该制导算法设计简单,无须预存参考轨道,能够实现飞行器的自主制导,并且具有燃料消耗次优的特点。仿真计算验证了该算法的有效性。     

载人小行星探测最优两脉冲转移轨道优化设计

为实现对目标小行星的载人探测,提出一种时间严格约束条件下的最优两脉冲往返转移轨道设计与优化方法.针对载人小行星探测任务的特点,建立了两脉冲转移轨道设计方案,初步设计了两脉冲往返转移轨道,并且利用序列二次规划算法进行了轨道优化,得到了各转移阶段的发射、到达窗口和最优往返转移轨道.仿真结果表明,给出的最优两脉冲往返转移轨道单次施加脉冲能够控制在5 km/s以内,可以满足未来300 d内的能量较小的载人小行星探测任务.     

Design and optimization of low-energy transfer orbit to Mars with multi-body environment

This paper discusses the problem of design and optimization of low-energy transfer orbit with multi-body environment. A new integrative method is proposed to effectively solve the problem, in which the parameterized patched manifolds in CR3BP(circular restricted three-body problems), the shape-based method with multi-body environment, the homotopic method with multi-body environment, and the low-thrust capturing and descending algorithm with multi-body environment are all included. Firstly, the parameters describing the patched manifolds in CR3 BP are optimized until the least total absolute velocity increment has been got, including the employment of the shape-based method with multi-body environment. Secondly, the low-thrust control laws of the transfer orbit are optimized employing the homotopic method with multi-body environment that transfers the fuel optimization problem to an easier energy optimization problem. Thirdly, the low-thrust descending orbit around Mars is computed using the laws proposed in this paper. As a typical example, the Earth-Mars transfer orbit design is discussed. The results showed that the parameters describing the patched manifolds could be optimized by the DE(differential evolution) algorithm effectively; the homotopic method with multi-body environment could get the optimal value that meets the first order optimality conditions; and the low-thrust descending orbit could effectively be captured by Mars and finally become a circular parking orbit around it by the hypothesis control laws proposed in this paper. It shows that the final fuel cost is much less than the optimal transfer in the patched two-body problems. In conclusion, the method proposed in this paper could effectively solve the low-energy low-thrust optimal control problem in multi-body environment for the future deep space explorations.     

面向区域导航增强的低轨卫星星座设计

部署低轨导航卫星是对现有卫星导航系统的有效补充,是实现导航增强的重要途径。研究了低轨卫星的星座设计问题,面向区域导航增强的应用需求,采用基于椭圆轨道的星座设计方案,利用卫星在椭圆轨道远地点运动速度慢、覆盖区域大、相对地面滞留时间长等特点,提升其对局部区域的覆盖能力。此外,在Flower星座框架下优化每颗卫星的轨道参数,确保其星下点轨迹重复经过重点区域的中心,延长卫星相对于给定区域的过顶时间。有效改善了过顶时间、覆盖重数、空间几何分布等影响导航性能的关键指标。在以北斗3号系统为导航增强对象的仿真对比中发现,在低轨卫星数量相同的条件下,该文的卫星星座设计方案具有更好的导航增强性能。     

Design and optimization in multiphase homing trajectory of parafoil system

In order to realize safe and accurate homing of parafoil system,a multiphase homing trajectory planning scheme is proposed according to the maneuverability and basic flight characteristics of the vehicle.In this scenario,on the basis of geometric relationship of each phase trajectory,the problem of trajectory planning is transformed to parameter optimizing,and then auxiliary population-based quantum differential evolution algorithm(AP-QDEA)is applied as a tool to optimize the objective function,and the design parameters of the whole homing trajectory are obtained.The proposed AP-QDEA combines the strengths of differential evolution algorithm(DEA)and quantum evolution algorithm(QEA),and the notion of auxiliary population is introduced into the proposed algorithm to improve the searching precision and speed.The simulation results show that the proposed AP-QDEA is proven its superior in both effectiveness and efficiency by solving a set of benchmark problems,and the multiphase homing scheme can fulfill the requirement of fixed-points and upwind landing in the process of homing which is simple in control and facile in practice as well.     

基于遗传算法的直驱XY平台变增益交叉耦合控制

对于永磁直线同步电机驱动的XY平台,轮廓加工精度易受到系统动态非线性、不确定性因素以及曲线轨迹的轮廓误差模型相对复杂等问题的影响.为了削弱以上影响,实现XY平台的高精度轮廓跟踪控制,设计了变增益交叉耦合控制器来补偿X、Y轴的耦合误差,并采用遗传算法对其中的PID控制器参数进行寻优,利用基因突变的能力,避免其陷入局部最佳解,从而快速准确地找到全局最佳解,使得系统轮廓误差达到要求的精度范围.理论推导与仿真结果表明,所设计的控制系统能有效提高XY平台的轮廓加工精度.     

高层剪力墙结构墙体的优化布置

剪力墙在现代高层住宅中应用普遍,由于经济投资较大,结构性能要求高,对其进行结构优化设计不仅可以降低工程造价,而且节约材料,因此对高层住宅剪力墙进行结构优化设计意义重大.本文采用PKPM建立模型,通过改变剪力墙厚度和数量,建立不同的模型,经对比计算结果,寻求从抗震角度来讲受力最合理、从经济角度来讲又最节省的布置方案.