先进航天器轨道快速优化

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1、西北工业大学博士学位论文先进航天器轨道快速优化姓名：王明光申请学位级别：博士专业：交通运输规划与管理指导教师：袁建平20051001摘要鉴于低成本的太空资源开发、巨大的战略利益等因素的考虑，当前许多发达国家相继将发展先进航天器ASV(可重复使用运载器RLV、乘员返回飞行器CRV、空间作战飞行器SOV、军用空天飞机MSP、空间机动飞行器SMV等)作为未来航天技术发展的重点。先进航天器飞行时应具备自主导航的能力，其实现的关键技术之一是用机载计算机近实时或实时地生成一条满足各种约束条件的优化轨道。虽然国内外学者在ASV轨道优化方面已经做了大量研究工作，取

2、得了令人瞩目的成果，但是绝大多数优化方法要花大量的计算机时才能获得最优控制量及相应的最优轨道，即传统的算法不能满足ASV自主导航实时生成轨道的要求。本论文就ASV轨道快速优化问题进行了深入研究，主要内容包括两部分：再入轨道快速优化和上升轨道快速优化。ASV再入轨道快速优化本文根据ASV再入轨道快速优化的需求，在运动模型处理方面和优化算法方面做了如下工作：模型处理：(1)根据ASV再入运动方程的特点和优化算法流程结构的特征，对模型做了合理的简化处理(将6状态量轨道状态方程分为参与数值优化迭代的一组状态方程和不参与数值优化迭代的一组状态方程)；(2)运

3、动模型无量纲处理；(3)运动模型转化处理(将终端时间自由的轨道最优控制问题转化为终端积分变量固定的最优控制问题)．处理后的模型计算量少，更适合优化数值解法求解。算法方面：与传统轨道优化算法不同，本文算法先根据轨道约束和准平衡约束规划出再入走廊，在再入走廊内选取满足航程约束的一条基准轨道，然后根据基准轨道反推算得到其中的一个控制量一滚转角，采用参数优化法优化滚转角。在此基础上，采用共轭梯度法对另一个控制量一迎角进行优化。仿真结果表明，只需10．20秒左右的时间即能产生一条满足轨道约束、终端约束、控制量约束和航程约束的优化轨道。此轨道可以用作ASV自主

4、导航的参考轨迹，也可用作应急情况下再入的参考轨迹，具有很好的工程应用价值。ASV上升轨道快速优化本文根据ASV上升轨道快速优化的需求，在运动模型处理方面和优化算法方面做了如下工作：西北工业大学博士学位论文模型处理：(I)运动模型简化处理；(2)运动模型转化处理：处理后的模型计算量大大减少，仿真精度几乎没有下降，更适合优化数值解法求解。算法方面：与以往在节点上离散化控制量或状态量不同，本文采用函数逼近最优控制量的思想，即采用LegcndreiE交多项式函数逼近最优控制量，将上升段轨道最优控制问题转化为一个约束参数优化问题，在此基础上，选用乘子法对约束

5、进行处理，并用变尺度法BFGS求解该问题。仿真结果表明，采用上述算法，可以利用计算机近实时地求解获得优化的ASV上升轨道(载机空中发射方案和火箭助推垂直发射方案)，此轨道可以作为应急发射和自主导航的参考轨道，也可为载机空中发射ASV或火箭助推垂直发射ASV的总体方案论证提供参考依据。此外，本文从优化和轨道动力学方面研究了两种空间交会对接段逼近方式(V-bar和R-bar)，推导得到v．bar最一般的相对运动规律，并进行了仿真分析，采用拟牛顿法求解得到时间最省R-bar和燃料最省R-bar相对运动轨道。关键词：先进航天器；可重复使用运载器：再入轨道；

6、再入走廊；快速优化；乘子法：共轭梯度法；非线性规划；上升轨道；BFOS：V-bar；R．bar：ⅡAbstraetAbstractNowadays．anumberofdevelopedcountrieshavelaunchedmanyprogrammesaboutAdvancedSpaceVehicles(ASV)，whichincludeReusableLaunchVehicle。CrewRetumVehicle，SpaceOpermionVehicle，MilitarySpacePlane，SpaceManeuverVehicleeta1．，g

7、roundonspaceresourceexploitationandstrategicinterests．TheguidanceandcontrolmethodsshouldenabletheASVtoaccomplishfullyautonomousandadaptiveflight，akeyproblemiStoachievetheoptimalcontrolsquickly．However，determininghowtofindthebestcontrolsofanASVSOthatitisabletosafelyreachTermina

8、lAreaEnergyManagement(TAEM)orgointospecifiedorbitinvolvesthes