《航天器轨道鲁棒性设计方法及应用》

该成果技术属于计算机科学与技术中的智能优化算法及其在航天中的应用领域。

航天器轨道计算与鲁棒优化设计是各类航天任务的基础,对复杂航天器系统的总体应用性能具有重要的影响。在航天器初轨设计中,传统的方法是圆锥曲线拼接法,这种方法是先设计日心转移段轨道,然后再推演设计出地心逃逸段轨道和目标星捕获轨道。由于逃逸段轨道和捕获段轨道具有特定的工程要求,常常需要反复多次才能设计出满足工程要求的三段轨道。有了初轨设计结果,考虑到发射和测量的工程误差,以及各种摄动力对实际飞行轨道的影响,需要进行精确轨道设计。精确轨道设计采用的数学方法是基于微分修正求解两点边值问题的打靶法。由于微分轨道模型具有极强的非线性特征,在对初轨设计参数进行微分修正时,打靶目标点极难收敛、常常发散。在考虑地球非球形引力、太阳光压、第三体引力、大气阻力等各项摄动力影响下的航天器精确轨道计算的解析形式非常复杂,而且,航天器轨道设计中待优化的决策空间较大且具有强约束特征,需要耗费大量计算时间,并且无法控制计算精度。因此,航天器轨道优化设计中存在着诸多值得深入研究的难题。

该成果的完成单位从2003年开始,依托国家863计划、国家自然科学基金、湖北省自然科学基金等项目,以精确轨道计算为基础,以轨道的鲁棒性设计为核心,分别从初轨设计和精确轨道设计两个方面,深入系统地研究了航天器轨道鲁棒性优化设计与应用中的若干关键技术,旨在构建从轨道计算、轨道设计到轨道应用的三位一体技术创新体系,取得了系列创新成果:

创新点1:首创了演化圆锥曲线拼接法,克服了传统圆锥曲线拼接法鲁棒性差的问题。针对传统圆锥拼接法搜索时间长甚至搜索不到解的问题,创新性地提出了将逃逸轨道和捕获轨道的参数作为决策变量同时进行优化,根据不同的工程约束和任务要求,将它们转化为模型的优化变量、约束条件或罚函数的方法,显著提高了轨道拼接的效率和成功率。

创新点2:基于多种优化策略,创新性地提出了高鲁棒性微分修正方法,降低了初值的敏感性。针对航天器轨道设计的强非线性特性,其线性收敛域非常小,初轨计算结果往往导致微分修正失败等问题,提出了将航天器轨道设计问题映射到一个弱非线性的相空间下进行设计,以及通过减小微分修正的步长,使得每次微分修正都在航天器轨道设计问题的线性收敛域内,实现了误差影响下的空间轨道鲁棒性优化设计,降低了初值的敏感性并极大的提高了算法的效率。

创新点3:构建了二体、三体和多体轨道计算模型,采用数值法和解析法两种方法,实现了对航天器轨道的精确计算和鲁棒优化设计;在此基础上,研制了一款具有完全自主知识产权的航天器轨道智能优化设计软件平台,突破了国外在航天专业工具软件上对中国的技术封锁。

项目成果解决了精确轨道计算和鲁棒性设计方法这一严重制约卫星对地观测、深空探测应用与发展的瓶颈问题,已出版学术专著2部,发表学术论文9篇,获计算机软件著作权7项,研发的软件平台已在国家民用空间基础设施、国家自然灾害空间信息基础设施、探月工程、地球-火星探测计划、国家高分重大专项、北斗系统可靠性重大专项、数据采集卫星系统DCSS等重大工程中得到应用与检验,为相关重大专项立项论证和工程实施设计了许多轨道,成果先后入选并参展了由中央军委装备发展部主办的第二届、第三届军民融合发展高科技成果展览,为中国的航天安全奠定了坚实的基础,为中国的航天强国建设做出了重要的贡献。

  1. 下载详细PDF版/Doc版

提示:为方便大家复制编辑,博主已将PDF文件制作为Word/Doc格式文件。