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Optimal impulsive rendezvous for highly elliptical orbits using linear primer vector theory
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作者 Maozhang ZHENG Jianjun LUO Zhaohui DANG 《Chinese Journal of Aeronautics》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第3期194-207,共14页
In this paper,minimum-fuel rendezvous is investigated for the case in which the reference orbit is highly elliptic.To this end,the well-known Tschauner-Hempel equations are used to describe the relative motions betwee... In this paper,minimum-fuel rendezvous is investigated for the case in which the reference orbit is highly elliptic.To this end,the well-known Tschauner-Hempel equations are used to describe the relative motions between rendezvous spacecraft and the target.Lawden’s primer vector theory is then applied on this linear but time-varying system.The analytical solution of the required primer vector for this problem is then derived by using a recently developed method.For the existing non-optimal solutions which don’t satisfy the conditions,the methods are further designed to improve the performance by shifting impulses or adding a new one.Finally,two algorithms are developed for free-impulse time-fixed rendezvous problems.The first algorithm can determine the globally optimal trajectory with the optimal number of impulses.The second one enables for fast trajectory planning.The proposed algorithms have been successfully applied to coplanar and three-dimensional rendezvous problems in which the target is flying on highly elliptical orbits. 展开更多
关键词 Orbital transfer Optimal trajectory primer vector Tschauner-Hempel equations Globally planning Fast planning
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Optimal four-impulse rendezvous between coplanar elliptical orbits 被引量:6
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作者 WANG JianXia BAOYIN HeXi +1 位作者 LI JunFeng SUN FuChun 《Science China(Physics,Mechanics & Astronomy)》 SCIE EI CAS 2011年第4期792-802,共11页
Rendezvous in circular or near circular orbits has been investigated in great detail, while rendezvous in arbitrary eccentricity elliptical orbits is not sufficiently explored. Among the various optimization methods p... Rendezvous in circular or near circular orbits has been investigated in great detail, while rendezvous in arbitrary eccentricity elliptical orbits is not sufficiently explored. Among the various optimization methods proposed for fuel optimal orbital rendezvous, Lawden's primer vector theory is favored by many researchers with its clear physical concept and simplicity in solu- tion. Prussing has applied the primer vector optimization theory to minimum-fuel, multiple-impulse, time-fixed orbital ren- dezvous in a near circular orbit and achieved great success. Extending Prussing's work, this paper will employ the primer vec- tor theory to study trajectory optimization problems of arbitrary eccentricity elliptical orbit rendezvous. Based on linearized equations of relative motion on elliptical reference orbit (referred to as T-H equations), the primer vector theory is used to deal with time-fixed multiple-impulse optimal rendezvous between two coplanar, coaxial elliptical orbits with arbitrary large ec- centricity. A parameter adjustment method is developed for the prime vector to satisfy the Lawden's necessary condition for the optimal solution. Finally, the optimal multiple-impulse rendezvous solution including the time, direction and magnitudes of the impulse is obtained by solving the two-point boundary value problem. The rendezvous error of the linearized equation is also analyzed. The simulation results confirmed the analyzed results that the rendezvous error is small for the small eccentric- ity case and is large for the higher eccentricity. For better rendezvous accuracy of high eccentricity orbits, a combined method of multiplier penalty function with the simplex search method is used for local optimization. The simplex search method is sensitive to the initial values of optimization variables, but the simulation results show that initial values with the primer vector theory, and the local optimization algorithm can improve the rendezvous accuracy effectively with fast convergence, because the opti 展开更多
关键词 If the initial values are taken randomly it is difficult to converge to the optimal solution. elliptical orbit rendezvous primer vector fuel optimal
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深空机动对运载火箭发射火星探测轨道研究 被引量:4
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作者 耿光有 王珏 +2 位作者 张志国 王建明 田继超 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第5期518-526,共9页
为解决长征(LM)运载火箭发射火星探测器转移轨道时,因低温入轨级最长允许滑行时间及测控限制,有效发射日期窗口亟需拓展的问题,采用主矢量理论结合序列二次规划算法(SQP),研究了探测器深空机动(DSM)对优化运载火箭发射火星转移轨道的作... 为解决长征(LM)运载火箭发射火星探测器转移轨道时,因低温入轨级最长允许滑行时间及测控限制,有效发射日期窗口亟需拓展的问题,采用主矢量理论结合序列二次规划算法(SQP),研究了探测器深空机动(DSM)对优化运载火箭发射火星转移轨道的作用。在发射直接转移火星探测轨道算法基础上,重点研究了包含引力影响球(SOI)内近地及近火飞行段后,采用主矢量获取深空机动最优猜测初值的分析算法,通过直接使用探测器近火点目标轨道参数优化运载火箭发射轨道,研究对比不同优化目标及设计约束下深空机动的分析结果,证实深空机动对降低转移轨道总发射能量需求、拓展发射日期窗口的高效性;该算法已应用于工程设计。 展开更多
关键词 运载火箭发射轨道 火星探测转移轨道 深空机动(DSM) 主矢量 序列二次规划算法(SQP)
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基于参数优化的脉冲轨道设计 被引量:3
4
作者 刘恒 雷涛 +1 位作者 李顺利 梁新刚 《上海航天》 2010年第1期20-25,56,共7页
基于参数优化设计了一种可处理各类脉冲轨道优化的一般方法,并给出了两种确定最优脉冲数的方法。以脉冲矢量与脉冲施加时刻为未知参数,将脉冲轨道优化设计转为非线性参数优化,用合适的非线性规划算法求解。主矢量理论对所得解最优性的... 基于参数优化设计了一种可处理各类脉冲轨道优化的一般方法,并给出了两种确定最优脉冲数的方法。以脉冲矢量与脉冲施加时刻为未知参数,将脉冲轨道优化设计转为非线性参数优化,用合适的非线性规划算法求解。主矢量理论对所得解最优性的验证表明该方法可行。 展开更多
关键词 轨道机动 主矢量 参数优化 非线性规划 最优脉冲数
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基于hp自适应伪谱法的N脉冲轨道优化设计 被引量:3
5
作者 韩威华 杨新 姜萌哲 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2013年第12期2566-2571,共6页
在实效性要求高的空间操控任务中,脉冲轨道的优化设计必不可少。针对脉冲轨道转移和交会的优化设计问题,基于hp自适应伪谱法设计一种通用方法,以直接法计算为主,综合使用间接法主矢量理论交互式规划出最优N脉冲轨道的机动方案。该方法... 在实效性要求高的空间操控任务中,脉冲轨道的优化设计必不可少。针对脉冲轨道转移和交会的优化设计问题,基于hp自适应伪谱法设计一种通用方法,以直接法计算为主,综合使用间接法主矢量理论交互式规划出最优N脉冲轨道的机动方案。该方法以hp自适应伪谱法直接求解首末端双脉冲机动,依据间接法最优脉冲机动满足的主矢量必要条件进行检验,通过增加脉冲或者首末端漂移进行交互式规划,逐步确定出最优脉冲数目N的值,再采用hp自适应伪谱法求解出各脉冲速度增量的矢量与施加时刻,获得脉冲轨道的优化设计。提供2个仿真场景算例,求解过程和结果表明,该方法对初值敏感度小、鲁棒性强、收敛快、实用有效,可以便捷处理脉冲轨道的优化设计问题。 展开更多
关键词 脉冲轨道 主矢量 交互规划 hp自适应伪谱法
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Interplanetary transfer optimization using cost function with variable coecients 被引量:2
6
作者 Xiangyu Li Dong Qiao Hongbo Chen 《Astrodynamics》 CSCD 2019年第2期173-188,共16页
In this paper,the optimal interplanetary transfer including planetary escape and capture phases is investigated in the heliocentric frame.Based on primer vector theory,a modi ed cost function with variable coecients i... In this paper,the optimal interplanetary transfer including planetary escape and capture phases is investigated in the heliocentric frame.Based on primer vector theory,a modi ed cost function with variable coecients is developed to re ect the gravitational e ect more precisely.The necessary conditions as well as the transversality conditions of the new cost function are derived to search the optimal solution in xed-time.By introducing the initial and nal coasts,the optimal interplanetary transfer is extended to the time-free situation.Finally,the proposed method is applied to the Earth-Mars and Earth-Asteroid transfer.Comparisons with existing methods show that the proposed method can provide better transfer performances with high eciency.The proposed method extends the application of primer vector theory and provides a fast and accurate reference for preliminary mission design in spacecraft planetary exploration. 展开更多
关键词 orbit optimization primer vector interplanetary transfer time-free
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基于隐式基因混合遗传算法的多脉冲交会导引 被引量:2
7
作者 欧阳高翔 王小丽 +1 位作者 孙成明 杨新 《系统工程与电子技术》 EI CSCD 北大核心 2015年第12期2810-2816,共7页
针对航天器交会远程导引段时间非固定多脉冲轨道转移问题,研究多约束条件下且脉冲数未知的共面椭圆交会燃料最省导引律设计。因不同脉冲数将造成多脉冲优化问题求解变量和约束条件个数随之变化,为此在遗传算法中引入隐式基因使得种群中... 针对航天器交会远程导引段时间非固定多脉冲轨道转移问题,研究多约束条件下且脉冲数未知的共面椭圆交会燃料最省导引律设计。因不同脉冲数将造成多脉冲优化问题求解变量和约束条件个数随之变化,为此在遗传算法中引入隐式基因使得种群中样本个体的基因具有长度可变特性,在单层迭代框架下可同时解出最优脉冲数和脉冲矢量。为进一步改善性能指标还将端点滑行时间作为优化变量,使得在最佳转移时刻进行离轨脉冲作用。寻优过程首先由遗传算法给出设计变量估计值,再由序列二次规划(sequential quadratic programming,SQP)求解全局最优解。最后基于主矢量和最优控制判据,表明所设计的含隐式基因混合遗传算法是求解复杂问题的有效全局优化方法,可解决一类优化变量个数可变的最优多脉冲远程导引律设计问题。 展开更多
关键词 多脉冲 共面椭圆交会 隐式基因 混合遗传算法 序列二次规划 主矢量
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基于模糊推理的基向量曲线求解方法
8
作者 张秋华 韩琦 孙毅 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第4期1002-1006,1029,共6页
基向量法是求解近圆轨道间固定时间最优交会的一种几何方法。针对基向量法中最优解的基向量曲线的求解问题,提出一种基于模糊推理的求解方法,使得基向量法的整个求解过程可以脱离人工干预完全由计算机完成,从而使基向量法求解的效率有... 基向量法是求解近圆轨道间固定时间最优交会的一种几何方法。针对基向量法中最优解的基向量曲线的求解问题,提出一种基于模糊推理的求解方法,使得基向量法的整个求解过程可以脱离人工干预完全由计算机完成,从而使基向量法求解的效率有了本质上的提高。通过对四冲量固定时间最优交会问题的求解实例表明该方法的有效性和实用性。 展开更多
关键词 基向量 最优交会 模糊推理
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基矢量法最优交会应用研究
9
作者 苏帅 张科 《计算机仿真》 CSCD 北大核心 2010年第2期44-47,共4页
在两航天器近距离交会中,常采用基矢量理论。但是在远距离交会时,使用传统方法计算误差较大。采用基矢量理论和过渡坐标系理论相结合的方法来解决上述问题。提出的方法首先采用基矢量法,对交会时间进行优化。在得出交会时间的前提下,将... 在两航天器近距离交会中,常采用基矢量理论。但是在远距离交会时,使用传统方法计算误差较大。采用基矢量理论和过渡坐标系理论相结合的方法来解决上述问题。提出的方法首先采用基矢量法,对交会时间进行优化。在得出交会时间的前提下,将交会过程分成三个阶段,并且以时间间隔作为控制量,来重新建立交会坐标系,并推导了迭代方程。最后,可以不考虑地球摄动的相对运动方程作为参考模型进行验证,仿真计算证明,文中提出的方法与传统方法比较位置误差很小,有很好的工程实用性。 展开更多
关键词 基矢量 过渡坐标系 轨道交会
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基于遗传算法的最优多脉冲交会轨道设计 被引量:9
10
作者 齐映红 曹喜滨 《哈尔滨工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第9期1345-1348,共4页
为了解决燃料最省和时间-燃料组合最优的航天器轨道交会问题,采用遗传算法对最优多脉冲交会轨迹进行设计.把最优脉冲的幅值、方向和真近点角作为编码变量,根据最优交会问题的终端边界条件和必要条件来设计适应度函数.该方法分别用于最... 为了解决燃料最省和时间-燃料组合最优的航天器轨道交会问题,采用遗传算法对最优多脉冲交会轨迹进行设计.把最优脉冲的幅值、方向和真近点角作为编码变量,根据最优交会问题的终端边界条件和必要条件来设计适应度函数.该方法分别用于最优双脉冲交会、具有初始滑行段的最优双脉冲交会、最优三脉冲交会和时间-燃料组合最优三脉冲交会四个仿真实例.将仿真结果与牛顿法求解的精确最优解比较,可以看出用遗传算法求解的最优解具有较高精度,证明了该方法的合理性和有效性. 展开更多
关键词 轨迹优化 多脉冲交会 遗传算法 主矢量理论
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交会对接远距离接近段制导研究 被引量:7
11
作者 许伦辉 徐建闽 +1 位作者 周其节 任萱 《飞行力学》 CSCD 北大核心 1998年第2期90-96,共7页
基于飞行器相对目标空间站的线性化运动方程,研究了交会对接中远距离接近段最优冲量解的必要条件,推导了确定最优解特征矢量曲线方程中待定参数的计算公式,给出了在特定初始状态和末状态下实现远距离接近的四次、三次、二次最优冲量... 基于飞行器相对目标空间站的线性化运动方程,研究了交会对接中远距离接近段最优冲量解的必要条件,推导了确定最优解特征矢量曲线方程中待定参数的计算公式,给出了在特定初始状态和末状态下实现远距离接近的四次、三次、二次最优冲量解的作用时刻和大小的算法。通过一个交会实例的数字仿真分析,得到了有关远距离接近段制导方法的有指导价值的结果,验证了该方法是正确的、合理的。 展开更多
关键词 交会 对接 制导方法 特征矢量 最优冲量 航天器
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平动点双脉冲转移轨道的快速计算方法 被引量:4
12
作者 潘迅 杨瑞 +1 位作者 泮斌峰 唐硕 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第6期574-582,共9页
针对限制性三体问题中的平动点双脉冲转移,提出一种高效的计算方法。通过利用基于二维插值的数值流形近似方法对流形进行近似计算,同时利用二体模型下的圆锥曲线近似流形拼接段,根据经典轨道要素推导得到完成拼接所需的速度增量,避免在... 针对限制性三体问题中的平动点双脉冲转移,提出一种高效的计算方法。通过利用基于二维插值的数值流形近似方法对流形进行近似计算,同时利用二体模型下的圆锥曲线近似流形拼接段,根据经典轨道要素推导得到完成拼接所需的速度增量,避免在优化过程中对流形的重复积分计算,以及在三体模型下对拼接段的迭代计算,从而显著提高计算效率。然后推导得到三体问题下的主矢量理论,可将其用于对优化所得的双脉冲转移轨道进行燃料最优性的验证。最后,以航天器从近地圆轨道到地月系L1点的halo轨道的双脉冲转移为例进行数值仿真,验证数值流形近似算法和二体模型近似脉冲的有效性,并表明该方法在优化过程中具有高效性。 展开更多
关键词 圆限制性三体问题 平动点 不变流形近似 主矢量理论 轨道优化 地月转移
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主矢量法在空间近距离拦截优化中的应用 被引量:2
13
作者 王国梁 郑建华 《空间科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2011年第3期361-365,共5页
重点研究了在固定时间内利用主矢量原理判断近距离冲量拦截轨道燃料消耗是否最优的问题,并对非最优情况提出了优化策略.根据轨道动力学理论,建立了近距离空间拦截轨道的数学模型.根据主矢量理论给出了判断冲量拦截是否最优的理论依据,... 重点研究了在固定时间内利用主矢量原理判断近距离冲量拦截轨道燃料消耗是否最优的问题,并对非最优情况提出了优化策略.根据轨道动力学理论,建立了近距离空间拦截轨道的数学模型.根据主矢量理论给出了判断冲量拦截是否最优的理论依据,并给出了优化方法.利用仿真算例证实了优化的有效性.通过对不同时间的空间拦截燃料消耗进行仿真比较分析,提出了燃料消耗最优的拦截策略. 展开更多
关键词 主矢量理论 空间拦截 轨道优化
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J_2摄动下多脉冲轨道的主矢量方法求解 被引量:1
14
作者 孟雅哲 《航天控制》 CSCD 北大核心 2017年第6期38-43,79,共7页
应用主矢量方法求解了J_2摄动二体模型下、给定转移时间和始末状态的最小速度脉冲交会轨道。总结分析了给定模型下最小速度脉冲轨道的主矢量必要条件和主矢量方法公式,并在此基础上给出了J_2摄动下主矢量方法的详细实现步骤。算例验证... 应用主矢量方法求解了J_2摄动二体模型下、给定转移时间和始末状态的最小速度脉冲交会轨道。总结分析了给定模型下最小速度脉冲轨道的主矢量必要条件和主矢量方法公式,并在此基础上给出了J_2摄动下主矢量方法的详细实现步骤。算例验证了本文所述主矢量方法实现过程的有效性,说明了满足主矢量必要条件的脉冲轨道的多解性。 展开更多
关键词 J2摄动 主矢量方法 最小速度脉冲 脉冲轨道
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在轨目标逼近远程导引律设计
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作者 齐映红 曹喜滨 林健 《航天控制》 CSCD 北大核心 2008年第5期45-49,共5页
利用最优多脉冲方法,对目标航天器逼近过程的远程导引段轨道进行设计。基于Lawden主矢量理论,解决固定时间、燃料最省的逼近轨道问题。通过仿真分析了固定初始条件时燃料消耗量随着转移时间的变化关系,对于燃料和时间均有约束的情况,给... 利用最优多脉冲方法,对目标航天器逼近过程的远程导引段轨道进行设计。基于Lawden主矢量理论,解决固定时间、燃料最省的逼近轨道问题。通过仿真分析了固定初始条件时燃料消耗量随着转移时间的变化关系,对于燃料和时间均有约束的情况,给出了求解燃料最省和时间最小的多目标优化问题的方法。这一研究对于评估具体任务的燃料消耗和转移时间有重要意义。 展开更多
关键词 在轨目标逼近 最优多脉冲 主矢量理论 多目标优化
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