[发明专利]一种基于分解协调策略的行星借力小推力轨道优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于分解协调策略的行星借力小推力轨道优化方法，属于航空航天技术领域。

背景技术

先进推进技术的发展与天体力学新机理的发现，为深空探测器的飞行方式带来了技术革新，典型的代表是结合小推力推进系统与行星借力技术的转移方式，具有发射能量低、燃料消耗少、技术实现简单等诸多优点。同时，这两项新技术的引入也带来了轨道动力学非线性强、优化模型复杂等问题，导致转移轨道的优化设计收敛困难。优化设计是行星借力小推力转移轨道研究的关键技术，寻求合理的优化方法是提高问题收敛效率的主要途径，是当前科技人员关注的热点问题之一。

在已发展的行星借力小推力轨道优化方法中，在先技术[1]（McConaghy T T,Debban T J,Petropoulos A E,Longuski J M.Design and Optimization of Low-Thrust Trajectories with Gravity Assists[J].Journal of Spacecraft and Rockets,2003,40(3):380-387.），提出了一种基于脉冲假设的优化方法。该方法将小推力轨道分解为多个离散弧段，将每一段轨道上推力的综合作用假定为施加在该轨道中点的脉冲，从而将轨道优化问题转化为求解离散脉冲和行星借力参数的寻优问题。该方法的优点是通过脉冲假设，有效减少了优化参数数量，缺点是脉冲假设降低了计算精度，并且寻优算法仍然需要同时计算离散脉冲与行星借力参数，收敛效率较低。

在先技术[2]（Fanghua Jiang,Hexi Baoyin,Junfeng Li.Practical Techniques for Low-Thrust Trajectory Optimization with Homotoptic Approach[J].Journal of Guidance,Control,and Dynamics,2012,35(1):245-258.），提出了一种基于同伦变换的间接轨道优化方法。该方法利用庞德里亚金极值原理将轨道优化问题转化为求解边值问题，结合粒子优化、同伦变换等技术，实现最优解的求解。该方法的优点通过间接法求得的解满足一阶最优性条件，缺点是由于引入了无具体物理含义的协状态变量，对于多次行星借力、考虑路径约束等复杂小推力转移轨道优化问题，该方法对初值非常敏感，收敛性较差，实用性不足。

发明内容

本发明为解决现有深空探测行星借力小推力转移轨道优化方法存在的对初值敏感、收敛性差的问题，提供了一种基于分解协调策略的行星借力小推力轨道优化方法。

本发明通过下述技术方案实现：首先以行星借力处为节点，将行星借力小推力转移轨道优化问题分解为一个系统级优化问题和两个二级优化子问题；然后以系统级优化问题求解为主迭代，用于协调子优化问题的行星借力处状态匹配，以二级优化子问题求解为次迭代，用于确定各分段轨道的推力控制律，直至主迭代和次迭代都收敛。下面对具体步骤进行详细说明。

步骤一，轨道优化模型分解

探测器在小推力发动机的作用下，从出发星体A，经借力行星B，到达目标星体C，以借力行星B为节点将整个转移轨道分解为两段：借力前轨道AB段和借力后轨道BC段，通过优化模型分解将转移轨道优化问题分解为一个系统级优化问题和两个二级优化子问题，三个优化问题模型如下所述。

1）AB段二级优化子问题模型

优化参数

XAB=[UAB(t),VAB∞-]]]>

其中：U_AB(t)为AB段轨道的小推力控制律，为AB段二级优化子问题对应的探测器相对于行星B的进入双曲线超速。

性能指标