探月飞行中太阳帆航天器帆面光学性能演化

介绍了太阳帆航天器在进行探月飞行时,非理想帆面的推力计算;重点分析了在轨长时间运行时空间环境对帆面光学系数及轨道漂移的影响.计算结果表明,太阳帆光学性能的退化对总推力、特征加速度和光压数的演化不可忽视,高精度深空探测轨道的设计要考虑空间环境因素.     

太阳帆轨迹间接优化技术收敛性分析

间接法是求解太阳帆航天器轨迹优化问题的一种常用方法.然而,间接法往往由于协态初值敏感性而存在收敛性难题.为了改善数值求解收敛性,协态变量归一化等多种间接优化技术已在深空探测轨迹优化研究中被提出.但是,对于太阳帆轨迹优化问题,鲜有间接优化技术对收敛性影响分析.本文以太阳帆航天器交会探测小行星为背景,研究协态变量归一化技术、同伦技术及间接法求解中太阳帆动力学模型坐标系(直角坐标系或球坐标系)与收敛性关系.首先,构建基于不同间接优化技术的间接法求解模型,采用数值打靶法求解最优的协态变量值.然后,根据协态变量所需猜测次数和协态变量初值估计的准确程度,对比分析3种技术对提升优化收敛性能的作用.仿真结果表明,同伦法的初值估计准确度最高、收敛性也最好.     

一种太阳帆航天器姿态机动控制方法

针对太阳帆航天器挠性模态易激发但难测量的问题,该文研究以控制杆作为执行机构的太阳帆航天器姿态控制。基于控制杆的动力学分析建立了太阳帆俯仰轴刚柔耦合模型。提出了1种姿态机动路径柔化与可测刚体姿态信息反馈控制相结合的太阳帆姿态控制方法。设计了比例积分型状态误差反馈律,并给出了使系统刚体姿态与挠性模态均渐近稳定的充分条件。仿真结果表明,所提控制方法能较好地满足太阳帆姿态调整的快速性与准确性要求。     

基于微分进化算法的多目标交会策略

采用微分进化算法研究了考虑J2摄动影响的多目标远程最优交会问题。首先,采用虚拟目标点摄动修正策略,提出了考虑J2摄动影响的远程交会轨迹求解方法。然后,建立了多目标远程最优交会的性能指标函数,采用微分进化算法,对燃料最优与任务时间最优的多目标远程交会进行了寻优计算,得到了相应的优化结果和多目标最优交会策略。研究工作可用于多目标在轨服务和拦截任务的远程交会策略制定和和轨道设计。     

非合作航天器间相对位姿的单目视觉确定算法

针对非合作航天器接近操作过程中200m以内的相对位姿参数确定问题,该文充分利用目标航天器已知的结构模型信息,推导了利用单个光学相机实现非合作航天器相对位姿参数测量的迭代算法。与传统的交会对接视觉系统不同,该视觉系统不需要在目标航天器上安装光学特征,而是充分利用了目标航天器的自身结构特征,因此更适用于一般航天器间的相对位姿参数测量。为解决相对位姿单目视觉确定的非线性问题,该文选择了求解非线性问题性能优良的Levenberg—Marquardt算法。最后对该文算法进行数学仿真,仿真结果表明算法的有效性和可靠性,适合航天器在轨实时应用。     

太阳帆新型逆向周期轨道

太阳帆航天器以其连续推力、不消耗燃料的特点而广受关注。该文提出一种太阳帆新型逆向周期轨道。采用太阳帆理想光压模型,在二体模型下给出了太阳帆逆向日心轨道的动力学特性,分析得出了能够形成平面逆向日心轨道的条件。由于该逆向周期轨道的对称性,该文以轨道的半周期为例,详细说明了逆向周期轨道的特点。该周期轨道位于黄道面内太阳的一侧,1个周期内角动量的符号变化2次。为了求解该轨道控制过程中所需要的姿态角,引入了粒子群差分进化(PSODE)优化算法。最后通过仿真计算,得出了一种简单控制律的逆向周期轨道,该轨道周期为4.26a,在一个周期内姿态角只变化1次。     

飞向Halo轨道的太阳帆航天器轨迹优化设计

研究了太阳帆航天器从地球同步轨道飞向日-地第2Lagrange(L2)点Halo轨道时其转移并入轨的轨迹优化设计问题。提出了分3阶段优化设计的方法:首先调整航天器逃离地球的飞行轨迹,使其比较接近目标Halo轨道的不变流形;再借助不变流形,用遗传算法求解相应的最优控制,使其转移到目标Halo轨道的不变流形上;最后航天器将沿流形飞行完成入轨。数值仿真结果表明,提出的方法可以得到相当好的转移轨道。由此显示:将转移轨道分为若干阶段,借助不变流形,用遗传算法求解最优控制问题的轨道优化设计方法对于此类小推力变轨问题是切实可行的。     

飞向Halo轨道的太阳帆航天器轨迹优化设计

研究太阳帆航天器从地球同步轨道飞向日-地第2Lagrange(L2)点Halo轨道时其转移并入轨的轨迹优化设计问题。提出了分3阶段优化设计的方法:首先调整航天器逃离地球的飞行轨迹,使其比较接近目标Halo轨道的不变流形;再借助不变流形,用遗传算法求解相应的最优控制,使其转移到目标Halo轨道的不变流形上;最后航天器将沿流形飞行完成入轨。数值仿真结果表明,提出的方法可以得到相当好的转移轨道。由此显示,将转移轨道分为若干阶段,借助不变流形,用遗传算法求解最优控制问题的轨道优化设计方法对于此类小推力变轨问题是切实可行的。     

基于EKF的航天器相对定姿算法研究

航天器交会对接是载人航天工程的一项关键技术,而航天器相对定姿又是在交会对接中首要解决的关键问题。通常用交会对接航天器体坐标系间各对应坐标间的夹角来表示相对姿态,这样相对定姿的任务就是要确定两交会对接航天器体坐标系间的旋转矩阵。采用无相对测量的航天器相对定姿态方法,基于围绕系统最优估计状态线性化的扩展卡尔曼滤波(EKF)滤波技术,以乘性误差四元数为状态量,设计了陀螺仪/星敏感组合的航天器相对定姿算法,并进行数字仿真验证该算法的可行性。仿真表明乘性误差四元数有效解决了协方差阵为零的问题,EKF技术大大提高了滤波精度。所设计的算法为航天器的相对定姿提供了一定的理论依据。     

航天器姿态和振动的拉索控制模型

在工程中,航天器的姿态控制和柔性部件振动控制一般采用分开设计和分时段执行,这样增加了航天器的控制时间。该文采用拉索结构作为控制作动器,用模态叠加法对航天结构模型进行刚柔耦合建模,并用线性二次型最优控制方法设计一个控制算法,对航天器姿态及其柔性部件同时进行控制。仿真结果显示,航天结构在各种激励下产生的姿态漂移和柔性附件振动同时得到了快速稳定的抑制。针对拉索控制的特点,分析了拉索的支座反力对控制系统的影响。结果表明,在结构建模中如果不考虑支座反力,将会导致控制系统不稳定。     

破片式战斗部对预警机毁伤评估研究

建立了一种考虑任务系统易损性模型和近炸引信探测起爆过程的毁伤效果分析方法,用于破片式战斗部对预警机的毁伤评估. 根据预警机任务系统特点构建了毁伤树模型;基于扫描线法计算引信探测位置,在相对速度坐标系下,考虑目标外形计算最佳起爆位置,并采用蒙特卡洛方法计算毁伤概率,分析了交会条件、起爆延迟、制导精度和瞄准中心对毁伤概率的影响. 结果表明:自适应延迟起爆能大幅提高毁伤概率,并减小交会条件的影响,且制导精度越高,交会条件影响越小;采用自适应延迟起爆时,毁伤概率主要受暴露面积和瞄准中心影响,以几何中心为瞄准中心的毁伤概率较高.      

双积分系统最优控制的三次Hermite配点法

为了校核三次Hermite配点算法程序的正确性,选用了一类典型的动力学系统——双积分系统的时间最优控制问题作为研究对象,通过将三次Hermite配点法和序列二次规划算法的复合算法应用于该系统的时间最优控制模型,得到了数值仿真结果。通过与该系统解析解的比较可以看出,三次Hermite配点算法对于求解动力学系统最优控制的两点边值问题具有良好的适应性。该方法可以进一步应用于航天器轨道动力学和优化的研究。     

用改进的差异演化算法求解双冲量交会问题

推导了在初始端点固定和初始端点不固定两种情况下航天器双冲量交会问题的优化模型,确定以燃料和时间加权作为优化目标.在此基础上,运用改进的差异演化算法进行仿真计算.最后从收敛性和搜索的准确性两个方面对改进的差异演化算法与基本遗传算法进行比较.研究结果表明:改进的差异演化算法在求解航天器双冲量交会问题时具有收敛速度快、优化能力强、算法可靠等优势.     

大型空间柔性组合航天器动力学建模与控制

航天器在轨组装制造和在轨服务维护任务中,捕获航天器通过空间机械臂捕获目标航天器后,整个系统构成一个大型空间柔性组合航天器.本文首先建立了综合考虑机械臂关节、臂杆和航天器太阳翼等柔性部件振动影响的组合航天器动力学模型,采用非线性扭簧模型描述柔性关节,采用假设模态法和有限元法描述柔性臂杆和太阳翼,通过动量守恒和拉格朗日方法推导了柔性组合航天器的动力学方程.然后设计了柔性组合航天器轨迹跟踪与振动抑制复合控制系统,采用奇异摄动方法对组合航天器动力学模型进行了降阶分解,在快慢两种不同时间尺度内分别独立设计了控制器.最后通过数值仿真验证了建模和控制方法的有效性.仿真结果表明,本文所建动力学模型精确有效,能够准确反映柔性组合航天器的运动学和动力学特性;复合控制方法能够保证组合航天器在实现机械臂精确轨迹跟踪控制的同时有效抑制柔性部件振动,具有工程实用性.     

具有非单调发生率的传染病模型的最优控制

研究了一类具有非单调发生率的SIR传染病模型,采用疫苗接种优化的方法使易感者和染病者个体的数量最小化,且移出者的数量最大化.在非线性最优控制框架下,讨论了最优控制的存在性,通过伴随变量建立最优控制的特征,最后通过数值模拟说明该方法的有效性.     

基于离散时间最优控制的在线信誉评价模型

考虑C2C电子商务消费模式中在线信誉评价问题.为了分析最优信誉投入策略,首先构建了含控制变量全变差项的基于离散时间最优控制的系统信誉评价模型,利用等价问题转化和约束转化技术,将非光滑最优控制模型转化为标准形式;其次利用罚函数法及C-E算法求解转化后的最优控制问题;最后用数值算例验证了模型的有效性.结果表明:该模型能够有效预防信誉炒作,并且能动态体现交易双方的信誉情况.     

基于对偶四元数的交会对接相对位姿测量算法

为了提高交会对接近距离段的相对位置姿态测量的实时性和准确性,提出了利用对偶四元数方法求解交会对接近距离段的相对位姿.该方法可以整体考虑追踪航天器坐标系和目标航天器坐标系间的相对旋转和平移,保持了刚体运动的完整性,克服了传统方法的缺陷.数值仿真验证了该方法的有效性.     

系杆拱桥吊杆张拉施工理论探究

本文基于工程控制论中的随机最优控制思想和卡尔曼滤波原理,建立了系杆拱桥吊杆张拉随机最优控制模型,从而能够使所有的吊杆张拉完毕后不必对先前各施工阶段张拉的吊杆返回调整,以期缩短施工时间,节省施工费用并最终达到预计的理想状态.     

连续推力最优轨道规避

应用非线性规划方法研究了连续推力时间最优和燃料最优航天器规避问题。航天器空间飞行中,为了避免与其他航天器或空间碎片相撞,需采取措施实施规避策略。由于航天器最优规避问题是典型的具路径约束的轨迹优化问题,间接法即应用极大值原理难于处理。考虑航天器推进系统为固定比冲发动机,用改进的轨道根数描述航天器动态,在给定最大推力幅值和中间过渡轨道时,将规避问题划分为转移和返回两个阶段,然后应用非线性规划方法统一考虑时间最优和燃料最优航天器最优规避问题。数值仿真结果表明,最优规避任务能够完成;在时间最优或燃料最优规避情形时,航天器均以最大推力工作,且时间最优规避时消耗燃料最少。     

河流污染非稳态模型及其最优化分析

本文通过运用动力学观点建立了一种污染物(BOD—Biological Oxygen Demand)在一维河流中的非稳态模型.利用最优控制理论求出沿河线的污染物(BOD)排放与河流中污染物(BOD)之间的关系.考虑了污染物(BOD)对河域生态系统造成的损害的最优控制.