[发明专利]深空探测器分阶段MDO方法

说明书

本发明提供了一种深空探测器分阶段MDO方法，包括如下步骤：以深空探测器为工程背景，将MDO问题分解为不同的阶段，每个阶段又包含多个学科，并依据动态规划逆向递推的思想，依次进行第n阶段、第n‑1阶段、…、第1阶段的优化，然后综合地面各种工程约束条件和初值进行正向回代求解，使复杂优化问题得以一定程度地简化，从而实现深空探测器全阶段多学科设计优化过程，为深空探测器总体优化设计奠定理论与方法基础。

技术领域

本发明涉及航天器总体优化技术，具体地，涉及一种基于动态规划思想的深空探测器分阶段MDO方法。

背景技术

与地球卫星相比，深空探测器飞行轨迹复杂，具有一定的阶段性。低轨卫星通过运载发射直接进入任务轨道，高轨卫星在运载发射后，通过轨道调整进入任务轨道，而深空探测器在运载发射后，先后经历地球逃逸、中途修正、捕获制动、轨道调整，随后进入科学任务轨道，与地球卫星相比，深空探测器飞行阶段复杂，需综合考虑各飞行阶段及各种工程约束。

相对于近地空间飞行器MDO问题而言，深空探测器MDO问题具有一定的特殊性。深空探测器多学科设计优化问题必然会涉及到轨道学科，与近地空间飞行器相比，深空探测器的飞行轨迹相对比较复杂，而轨道参数与深空探测器设计呈现较强的耦合特性。与此同时，深空探测器的任务需求体现于探测器轨道设计，整个设计优化过程依赖于轨道优化结果。因此，对于深空探测器总体优化设计而言，必须考虑探测器飞行的阶段性，显然，这是一个动态的优化过程。

深空探测器的飞行过程可划分为不同的阶段，从一个阶段过渡到下一个阶段需要付出相应的代价，消耗一定的燃料或花费相应的时间，与动态规划理论有相通相似之处，探索将动态规划思想应用于深空探测器多阶段设计优化过程中。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种深空探测器分阶段MDO方法。

根据本发明提供的深空探测器分阶段MDO方法，包括如下步骤：

步骤1：对深空探测器的总体任务进行分析，将深空探测器的飞行过程划分为多个阶段；

步骤2：针对深空探测器的飞行过程中的每个阶段分别设置相应的优化目标、变量参数以及约束条件；

步骤3：根据每个阶段的优化目标以及相应的约束条件，确定不同阶段的变量参数之间的耦合关系，建立包含所有阶段的优化模型；

步骤4：采用动态规划方法，即基于贝尔曼Bellman最优性原理获得步骤3中优化模型的最优解，实现对深空探测器的全程优化控制。

优选地，所述步骤1中深空探测器的飞行过程被划分的多个阶段包括：地球逃逸阶段、日心巡航段、行星捕获阶段、轨道调制阶段以及科学任务阶段。

优选地，所述步骤2中深空探测器飞行过程的多个阶段的相应优化目标、变量参数以及约束条件如下：

地球逃逸阶段：根据选定的发射场位置和地球逃逸速度矢量设计深空探测器的发射时刻、逃逸轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角；其中，约束条件包括：深空探测器的发射场位置、运载能力及入轨精度；

日心巡航阶段通过选择合适的发射窗口、到达窗口，以实现星际飞行过程中燃料最优；

行星捕获阶段的优化目标为获得最小的捕获速度增量；约束条件包括：捕获过程对地通信无遮挡、捕获过程中无火影并且满足中分辨率相机的成像条件；

轨道调整阶段的变量参数包括：轨道调整策略、调整次数，约束条件包括：每次轨道调整所需时间、燃料；

科学任务阶段：优化目标即为对应的科学任务，约束条件包括：载荷、光照条件、测控可见性。