《平動點附近太空飛行器編隊的姿-軌耦合動力學與控制研究》是依託大連理工大學,由彭海軍擔任醒目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：平動點附近太空飛行器編隊的姿-軌耦合動力學與控制研究
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：彭海軍
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
平動點及其附近軌道在太空飛行器深空探測任務中具有重要的研究和套用價值。針對未來平動點附近太空飛行器編隊的新型、複雜以及高精度任務需求，基於高精度的姿-軌耦合動力學模型，線上設計最優路徑並進行閉環制導控制是決定任務成敗的關鍵要素之一。本項目將採用Hamilton力學方法，研究建立平動點附近單顆太空飛行器以及編隊太空飛行器的姿-軌耦合動力學模型以及相對動力學模型，並分析模型的穩定性以及明確姿態和軌道的相互影響關係；進一步基於姿-軌耦合的高精度動力學模型,結合參變數變分方法和保辛非線性最優控制數值方法，構造適用多工況約束的線上最優路徑規划算法，以高精度算法解決太空飛行器編隊的路徑規劃問題，然後基於滾動時域控制方法，提出用於完成太空飛行器高精度位置平移和姿態旋轉協同運動的閉環反饋時變控制方案。本項目的實施將為我國未來平動點附近太空飛行器編隊的成功實施提供理論算法基礎和先進控制系統方案。
結題摘要
本項目主要圍繞未來平動點附近太空飛行器編隊任務需求，開展相關動力學與控制科學問題研究。具體研究成果包括：(1)建立平動點附近太空飛行器姿-軌耦合動力學模型並進行動力學仿真及其穩定性分析。採用Hamiltonian動力學變分原理，提出求解平動點太空飛行器姿-軌耦合“剛性”非線性動力學模型的保辛數值方法，數值仿真發現太空飛行器在平動點附近Lyapunov軌道上運行能夠在一定的時間內保持姿態運動的有界性；而在Halo軌道上運行的剛體太空飛行器受軌道高度的影響很大。(2)構造了太空飛行器編隊重構與保持的非線性路徑規劃與實時制導保辛算法。基於離散對偶Hamiltonian變分原理，參變數變分原理以及Hamiltonian密度函式分別提出了無約束，控制受限以及“剛性”最優控制系統的保辛數值方法。進一步構造了線性/非線性系統的滾動時域實時制導保辛算法，將太空飛行器的滾動時域制導問題轉化為一系列具有稀疏對稱正定特性的線性代數方程組及其疊代求解格式。保辛的非線性路徑規劃與實時制導算法保證了最優控制系統解空間的辛幾何特性，與其他保辛數值方法(DMOC方法)和非保辛數值方法(Gauss偽譜方法)等的比較，本項目保辛算法無論在精度還是效率上都具有明顯的優勢。(3)研究並獲得了太空飛行器在平動點軌道間交會最優軌跡的線上設計方法。採用代理模型技術給出太空飛行器初始交會時間和交會過程時間這兩組參數與最優交會性能之間的近似解析模型。基於代理模型完成交會任務最佳化不需求解非線性最優控制問題，而基於原始參數最佳化模型每次計算目標函式都需求解非線性最優控制問題，因此基於代理模型最佳化在保證計算精度的情況下明顯降低了線上計算量。(4)設計了太空飛行器由近地軌道至平動點軌道的多目標轉移軌道。將整個轉移過程劃分不同區段並設計“拼接時間點”作為最佳化變數，以整個太空飛行器轉移過程中的燃料消耗和轉移總時間為最佳化目標，建立了基於不變流形和連續小推力聯合最佳化技術的太空飛行器多目標轉移最佳化模型。通過對多目標轉移最佳化模型求解獲得了太空飛行器在整個軌道轉移過程中的能量消耗與轉移時間消耗的Pareto前沿。因此，多目標混合轉移軌跡設計理論不僅克服了不變流形理論受初始條件以及約束條件的限制，同時還降低了太空飛行器燃料與時間消耗。最終，本項目的研究成果將為我國未來平動點附近太空飛行器編隊的成功實施提供理論算法基礎和數值計算技術。
