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有约束的能量最优轨道转移问题

曾宪琳  
【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。


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