用于確定最優航天器軌跡的適應性、多重打靶優化方法技術

本發明專利技術公開了一種用于確定航天器相對于給定中心空間體從起始空間體至目標空間體的轉移軌跡的方法，其中所確定的軌道相對于航天器的轉移所需滿足的給定空間任務要求是最優的。本方法包括根據龐特里亞金極大值原理提供一種涉及模型量和物理量的物理數學模型，來表示航天器相對于給定中心空間體的轉移。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及最優航天器轉移軌跡(transfer trajectory,轉移軌跡)的確定,并且本專利技術能夠用于解決關于諸如宇宙飛船、火箭、航天飛機等的航天器的最優轉移軌跡的各種問題。更詳細地,本專利技術可在給定時期(特定瞬時，epoch)范圍內確定最優轉移軌跡,該最優轉移軌跡總體上可滿足給定的航天任務要求，并且特別地，本專利技術可使轉移時間、推進劑消耗或它們的組合最小化。
技術介紹
如公知，用于給定任務的最佳航天器軌跡的確定學術上被定義為“兩點邊界問 題”，其包括軌跡的確定，在所有可能的點中，連接空間中的兩個不同點(表示邊界條件)并且允許使給定成本函數(也稱作成本指數)最大化或最小化。運動方程式是該問題的微分約束(differential constraint)。已知有利于解決與空間轉移相關的最優化問題的多種優化方法，其大致可分為兩類 根據龐特里亞金(pontryagin)極大值原理的典型、間接方法；以及 直接方法，其試圖通過多個數值計算程序找到成本函數的最小值并且可進一步劃分為-運用于變分法的直接方法，以及-搜索技術遺傳算法也用于解決涉及行星間轉移的問題。前面所列出的已知方法的簡要說明如下。龐特里亞金極大值原理是應用于最優控制理論的變分法的基本定理其給出一些必要條件以確定要分析的問題的最優解，并且其僅基于微分特性(某些類的函數在極值點處呈現)。根據這些必要條件，可確定一些參數的時間演化，即所謂的拉格朗日乘子，用于評估解決最優化問題所需的控制變量。拉格朗日乘子的初始值是未知的，并且它們必須經過數字評估，使得可滿足邊界條件。換句話說，最優化問題完全轉換為拉格朗日乘子的初始值的確定。當未完全確定最終狀態時，即，狀態向量的一些變量未分配在邊界條件時，該問題變得更加復雜。除了龐特里亞金極大值原理給定的條件之外，還要考慮被定義為“橫截性條件”的附加約束。詳細地，在間接方法中通過龐特里亞金極大值原理表述的條件允許確定運行時間，這是應用控制變量解決最優化問題的最佳方法，但是開始時卻不知道此類變量，如以下示出。使X =*成為一階偏微分方程系統，其中X是狀態向量，并且U是所謂的控制向量，其是在運行時間確定的向量以使給定成本函數J的最小化或最大化。通過調用博爾贊(Bolza)問題的公式，該成本函數可具有以下形式 權利要求1.一種用于確定航天器相對于給定中心空間體從起始空間體至目標空間體的轉移軌跡的方法，所確定的軌跡相對于所述航天器的轉移所需滿足的給定空間任務要求是最優的；所述方法包括 根據龐特里亞金極大值原理提供涉及模型量和物理量的物理-數學模型，其表示所述航天器相對于所述給定中心空間體的轉移，所述模型量包括第一模向量(λ ν)和第二模向量(λ A所述第一模向量(λ ν)具有隨時間變化的第一模數以及隨時間變化的第一空間定向，并且所述第一模向量由隨時間變化的第一經度角(φν)和隨時間變化的高度角(θν)限定，所述第一模向量(λ ν)即時地表示所述航天器相對于所述給定空間任務要求的推力的相應最優方向，所述第二模向量(λ J具有隨時間變化的第二模數以及隨時間變化的第二空間定向，并且所述第二模向量由隨時間變化的第二經度角(Φ J和隨時間變化的第二高度角(Θ J限定，所述第二模向量(λ J即時地表示所述第一模向量(λ ν)的時間演化； 在所述物理-數學模型中，設定起始邊界條件和最終邊界條件，所述起始邊界條件使得在所述轉移的開始時間Utl)時所述航天器的位置(r)和速度(V)分別接近于所述起始空間體的位置(rEarth)和速度(VEarth)，所述最終邊界條件使得在所述轉移的最終時間(~)時所述航天器的位置(r)和速度(V)分別接近于所述目標空間體的位置(γμ_)和速度(Vitos); 在所述物理-數學模型中設定第一條件，使得所述第二模數通過根據所述給定中心空間體的與角速度相關的量而與所述第一模數相關； 在所述物理-數學模型中設定第二條件，使得所述第一經度角(Φν)和所述第二經度角(Φ J之間的一特定經度角與所述第一高度角(θν)和所述第二高度角(Θ J之間的一特定高度角相互獨立； 考慮包含在給定時間范圍中的第一起始時間(tj、包含在給定經度角范圍中的所述特定經度角的第一經度角值、以及包含在給定高度角范圍中的所述特定高度角的第一高度角值；以及 根據所述物理-數學模型、所考慮的第一起始時間(tj、所考慮的第一經度角值、以及所考慮的第一高度角值確定所述航天器的轉移軌跡。2.根據權利要求I所述的方法，根據所述物理-數學模型、所考慮的第一起始時間(tj、所考慮的第一經度角值、以及所考慮的第一高度角值確定所述航天器的轉移軌跡的步驟包括 -計算與給定空間任務要求相關的給定成本函數(J )的值，所述給定成本函數(J ) 值是根據所考慮的第一起始時間、所考慮的第一經度角值和所考慮的第一高度角值計算的； -根據所述給定成本函數(J )的計算值確定一近似成本函數； -根據所考慮的第一起始時間(tj、所考慮的第一經度角值和所考慮的第一高度角值計算所述近似成本函數的值； -在所述近似成本函數的計算值中識別所述近似成本函數的極值，并且在所考慮的第一起始時間Utl)中、在所考慮的第一經度角值中、以及在所考慮的第一高度角值中分別識別計算所述近似成本函數極值所根據的最優起始時間(h)、最優經度角值、和最優高度角值；以及-根據所述物理-數學模型、所識別的最優起始時間(h)、所識別的最優經度角值、和所識別的最優高度角值確定所述航天器的轉移軌跡。3.根據權利要求2所述的方法，其中，在所述物理-數學模型中，所識別的最優經度角值是在所識別的最優起始時間(h)時的所述特定經度角的值，并且其中，在所述物理-數學模型中，所識別的最優評估值是在所識別的最優起始時間Utl)時的所述特定高度角值。4.根據權利要求2或3所述的方法，其中，所述物理-數學模型基于拉格朗日乘子。5.根據權利要求2-4中任一項所述的模型，其中，根據所述物理-數學模型、所考慮的第一起始時間(tj、所考慮的第一經度角值、以及所考慮的第一高度角值確定所述航天器的轉移軌跡的步驟進一步包括 在所述給定成本函數(J )的計算值中識別所述給定成本函數(J )的極值，并且在所考慮的第一起始時間Uci)中、在所考慮的第一經度角值中、以及在所考慮的第一高度角值中分別計識別算所述給定成本函數(J)的所述極值所根據的中途最優起始時間(h)、中途最優經度角值、以及中途最優高度角值。6.根據權利要求2-5中任一項所述的方法，進一步包括 籲如果根據所述物理-數學模型、所考慮的第一起始時間(tj、所考慮的第一經度角值、以及所考慮的第一高度角值確定的軌跡不以預定公差滿足所述起始邊界條件和所述最終邊界條件，則 -根據給定時間范圍和所識別的最優起始時間Utl)選擇時間子范圍， -根據給定經度角范圍和所識別的最優經度角值選擇經度角子范圍， -根據給定高度角范圍和所識別的最優高度角值選擇高度角子范圍， -考慮包含在所選擇的時間子范圍中的第二起始時間(tj、包含在所選擇的經度角子范圍中的特定經度角的第二經度角值、以及包含在所選擇的高度角子范圍中的特定高度角的第二高度角值，以及 -根據所述物理-數學模本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】

【專利技術屬性】
技術研發人員：安德里亞·博勒，克里斯蒂安·奇爾奇，吉斯皮·科勞，
申請(專利權)人：電視廣播有限公司，
類型：
國別省市：