小推力多目标深空探测器轨迹优化

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1、NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAstronauticsTrajectoryOptimizationofLow-thrustandMulti-objectionforDeepSpacecraftAThesisinAircraftdesignbyHuaPengAdvisedbyProf.NanYingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDe

2、greeofMasterofEngineeringDecember,2012承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕

3、士学位论文摘要轨道设计与优化是深空探测任务需要先行且非常重要的一步，一个优秀的轨道设计方案不仅能节约成本、扩大任务成果，还能降低风险、提高成功率。深空探测中多目标探测为基础的多任务和以电推进为主的连续小推力技术具有高效益和高有效载荷比的巨大优势，本文把这两者相结合，紧扣深空轨道设计方法的技术前沿和我国未来深空探测活动的需求，对深空探测的轨迹优化进行了系统研究。主要研究内容如下：首先，对深空探测轨迹优化作了问题描述以及数学建模。问题描述主要包括深空探测轨迹优化的初始条件、边界条件与性能指标等；数学建模主要包括轨道坐

4、标系的定义、天体与探测器的二体与多体动力学方程以及天体的轨道数据；然后，研究了多目标小推力深空探测器的轨迹优化方法，采用组合算法把全局优化和局部优化相结合。以近地小行星探测为例研究了动态规划法选取小行星序列和共轭梯度法进行小推力轨道求解及优化；以第三届全国深空轨道设计竞赛所给出的任务为例研究了粒子群算法选取目标探测序列和确立发射时间窗口，并以遗传算法为基础进行轨迹优化。得到的仿真算例结果表明所采用的组合算法均能有较好的性能指标，且算法精度高，可移植性强；最后，研究了基于二体与多体运动模型的深空轨道设计的误差分析。

5、为追求误差的准确性而巧妙设计了仿真实验，分析表明目前广泛采用的二体问题模型在深空探测轨道设计上存在巨大误差，且误差随时间积累而不断增大。关键词：深空探测，轨迹优化，小推力，多目标，组合算法，多体动力学，数值仿真，误差分析I深空探测的轨迹优化AbstractTrajectorydesignandoptimizationisanteriorandimportantinthedeepspacemission.Anexcellentorbitdesignprojectcannotonlysavethecost,enlar

6、gethetaskoutcomes,butalsoreduceriskandimprovethesuccessrate.Inthedeepspaceexploration,themulti-taskbasedonmulti-objectiveandthecontinuouslow-thrusttechniquebasedonelectricpropulsionhaveasuperiorityofhighefficiencyandhighpayloadrate.Inthispaper,combinedbothoft

7、hemandkepttothetrajectorytechnologicalfrontierandthefuturedemandofChinesespaceexplorationactivities,thedeepspacetrajectoryoptimizationisresearchedsystematically.Themainresearchcontentsareasfollows:Firstly,theproblemdescriptionandmathematicalmodelsofdeepspacet

8、rajectoryoptimizationarebuiltup.Theproblemdescriptionincludestheinitialconditions,boundaryconditionsandperformanceindexofdeepspacetrajectoryoptimization.Themathematicalmodelsincludethedef