[發明專利]一種基于混合動力的近地小行星交會任務軌道優化方法

有效

• 申請號: 202010733500.1
• 申請日: 2020-07-27
• 公開（公告）號: CN112016187B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 雍恩米;劉滔;鄭鳳麒
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心計算空氣動力研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/15;B64G1/24;G06F119/14;G06F111/10;G06F111/04;G06F111/06
• 代理公司: 成都東恒知盛知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 51304
• 代理人: 何健雄;廖祥文

1.一種基于混合動力的近地小行星交會任務軌道優化方法，其特征在于：所述軌道優化方法包括以下內容：

建立太陽光壓和太陽光電產生的混合推進的探測器動力學模型；

基于物理規劃的多目標優化方法結合高斯偽譜法的迭代優化方法實現多目標軌道優化，得到最優交會軌道和最優控制變量；

所述建立太陽光壓和太陽光電產生的混合推進動力探測器動力學模型包括：

根據轉換關系

將開普勒軌道六要素[a e i Ω ω ν]^T轉換為MEE變量y＝[p,f,g,h,k,L]^T，其中，p,f,g,h,k,L為非奇異軌道要素變量，a為橢圓軌道半長軸，e軌道為偏心率，i為軌道傾角，Ω為升交點赤經，ω近地點幅角，ν平近點角，p為半通徑；

通過調節混合動力探測器的姿態來控制太陽光壓和太陽光電的推力方向，從而在RTH參考坐標系中對混合動力探測器的控制變量進行定義；

通過太陽光壓的控制變量將太陽光壓產生的加速度在RTH坐標系中描述為

通過太陽光電的推進變量將太陽光電在RTH坐標系中產生的加速度描述為

將質量變量增加到狀態變量中，并令X＝[y；m]，得到動力學方程其中，m₀和m分別表示混合動力航行器的初始質量和當前質量，β₀表示太陽帆亮度系數常數，||r||表示日地單位距離，μ表示太陽引力常數；

所述太陽光壓的控制變量包括圓錐角α和方位角δ；所述太陽光電的推進變量包括推力圓錐角α_T、方位角δ_T和推力大小T；

所述基于物理規劃的多目標優化方法結合高斯偽譜法的迭代優化方法包括：

引入偏好函數到多目標問題的物理規劃中，得到對綜合目標滿意度最優的設計點作為問題的最優解，進而將多目標問題轉換為單目標優化問題；

通過高斯偽譜法求解單目標優化問題進行控制變量與狀態變量的轉換，并采用高斯偽譜法的迭代優化策略優化狀態與控制變量；

所述引入偏好函數到多目標問題的物理規劃中，得到對綜合目標滿意度最優的設計點作為問題的最優解，進而將多目標問題轉換為單目標優化問題包括：

將設計指標的函數作為偏好函數引入到物理規劃問題中，以反映設計者對各設計目標的偏好程度；

根據軌道優化設計多種類型的偏好函數作為設計目標的偏好函數，進而得到物理規劃問題的優化目標為：

對偏好函數進行優化，尋求對綜合目標滿意度最優的設計點作為物理規劃問題的最優解；

所通過高斯偽譜法求解單目標優化問題進行控制變量與狀態變量的轉換包括：

將動力學方程中所有狀態變量在N個高斯點以及初始時間點上采用列拉格朗日多項式近似得到控制變量采用公式進行離散，其中，x(τ)表示混合探測動力學模型的狀態變量，X(τ)表示混合探測動力學模型的狀態變量的離散值，u(τ)表示混合探測動力學模型的控制變量，U(τ)表示混合探測動力學模型的控制變量的離散值；

在同時滿足動力學方程的多種約束條件下，設計高斯點的狀態變量x(τ_i)和控制變量U(τ_i)，使性能指標最小，從而將軌道優化問題轉換為非線性規劃問題；

所述采用高斯偽譜法的迭代優化策略優化狀態與控制比變量初值的給定包括：

A1、從平面軌道與估值中提取高斯點上的軌道參數作為最初的初值；

A2、基于高斯偽譜法求解軌道優化問題，獲取當前的最優控制變量；

A3、將當前的最優控制變量代入動力學方程積分，判斷所得到的交會軌道是否滿足終端約束的要求，如果滿足則轉到第A5步驟，否則轉到第A4步驟；

A4、利用當前的最優軌道作為新的初值增加配點數目，通過插值獲得新的初值猜測，采用高斯偽譜法求解增加配點數目后的最優軌道，然后轉到第A2步驟；

A5、保存當前最優軌道和控制變量。

2.根據權利要求1所述的一種基于混合動力的近地小行星交會任務軌道優化方法，其特征在于：所述設計的偏好函數的類型包括設計指標越小越好的軟型偏好函數和設計指標越大越好的軟型偏好函數。

3.根據權利要求1所述的一種基于混合動力的近地小行星交會任務軌道優化方法，其特征在于：所述滿足動力學方程的多種約束條件包括滿足動力學方程在配點處的約束、終端狀態約束、邊界約束和過程約束。