星際探測中的小推力轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計與優(yōu)化方法研究.pdf

1、二十一世紀，迎來了深空探測技術(shù)研究與計劃實施的新高潮，遠日行星探測、重返月球、小行星及彗星探測等相關(guān)深空探測任務(wù)都已經(jīng)開始實施或提上日程。由于在星際探測任務(wù)中，通常需要巨大的速度增量來實現(xiàn)軌道轉(zhuǎn)移，因此具有高比沖的小推力推進系統(tǒng)在深空探測任務(wù)中的應(yīng)用已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注。小推力推進系統(tǒng)的應(yīng)用極大的增加了有效載荷的質(zhì)量百分比、縮減了任務(wù)成本，增大了科學回報，但同時也對軌道設(shè)計技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。
　　本學位論文結(jié)合863計劃項

2、目“深空探測自主技術(shù)與仿真演示系統(tǒng)”、“星際高速公路的低能量轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計技術(shù)研究”以及國家自然科學基金資助項目“深空探測轉(zhuǎn)移軌道機理與優(yōu)化方法研究”，針對深空探測中的小推力軌道設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)進行了研究，主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　針對小推力星際巡航段軌道設(shè)計和優(yōu)化問題，提出一種用于初始軌道設(shè)計和性能預估的“標稱軌道法”和一種可用于復雜巡航段小推力軌道精確設(shè)計的“退火遺傳-混合優(yōu)化算法”。標稱軌道法通過引入標稱軌道的概念，并

3、利用開普勒軌道的特性對軌道優(yōu)化模型進行轉(zhuǎn)化，從而加快了計算速度，克服了傳統(tǒng)方法在收斂性方面存在的問題，可用于小推力軌道的性能預估和軌道搜索。退火遺傳-混合優(yōu)化算法從分析軌道優(yōu)化問題對共軛狀態(tài)敏感的原因入手，對共軛狀態(tài)猜測方法做出改進從而降低軌道優(yōu)化問題對初值猜測的敏感度，適合用于優(yōu)化復雜的小推力巡航段軌道。
　　針對近行星小推力軌道轉(zhuǎn)移問題，在分析軌道動力學特性的基礎(chǔ)上結(jié)合Lyapunov反饋控制的思想，提出一種基于Lyapuno

4、v局部最優(yōu)反饋控制律的近行星小推力軌道設(shè)計方法。首先，分析了推力加速度在改變某一特定軌道根數(shù)中所起的作用。然后，在此分析的基礎(chǔ)上設(shè)定Lyapunov函數(shù)，并推導出半解析形式的局部最優(yōu)推力方向角表達式。最后，通過參數(shù)優(yōu)化方法對Lyapunov函數(shù)中的權(quán)重進行調(diào)解，數(shù)值研究表明如果權(quán)重選擇適當則獲得的次優(yōu)解將十分接近于最優(yōu)解，并且此方法能對受無先驗信息開關(guān)函數(shù)約束的軌道轉(zhuǎn)移以及小推力逃逸俘獲軌道進行有效的設(shè)計。
　　針對近年來興起的星

5、際高速公路（IPS）設(shè)計概念，通過將IPS技術(shù)與小推力推進技術(shù)相結(jié)合提出小推力IPS軌道轉(zhuǎn)移方案。利用動力系統(tǒng)理論研究了與三體系統(tǒng)平衡點以及周期軌道相連的不變流形，并分析了太陽系各行星系統(tǒng)之間潛在的IPS轉(zhuǎn)移通道。結(jié)合標稱軌道法給出一種IPS轉(zhuǎn)移軌道的探測機會搜索方法，并在此基礎(chǔ)上對小推力IPS轉(zhuǎn)移的巡航段軌道進行設(shè)計優(yōu)化。對于小推力IPS轉(zhuǎn)移的逃逸及俘獲段軌道設(shè)計問題，通過繪制龐加萊截面的方法對動力飛行段和滑行段軌道進行匹配，并結(jié)合L

6、yapunov局部最優(yōu)反饋控制的方法實現(xiàn)小推力IPS逃逸及俘獲軌道的設(shè)計優(yōu)化，從而完成從停泊軌道到目標軌道的完整小推力IPS軌道設(shè)計。
　　結(jié)合本文研究內(nèi)容，利用基于退火遺傳-混合優(yōu)化算法的星際巡航段軌道設(shè)計方法、基于Lyapunov局部最優(yōu)反饋控制的近行星小推力軌道設(shè)計方法以及小推力IPS轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計與優(yōu)化方法，以地球-金星探測任務(wù)為例，對各種行星際小推力探測任務(wù)的軌道方案進行了詳細的分析和研究。首先，給出了6種基本的軌道轉(zhuǎn)移方