[发明专利]一种行星际连续推力转移轨道评估方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种行星际连续推力转移轨道评估方法，适用于行星际连续推力转移轨道的快速评估，属于航空航天技术领域。

背景技术

等离子电推进等连续推进系统可以有效地提高推进剂的使用效率，降低探测器转移过程中所需的燃料消耗，在深空探测任务中得到了广泛应用。然而，由于连续推力转移轨道动力学机理非常复杂，求解很困难。目前，进行连续推力转移轨道性能评估时主要依赖于繁琐的数值优化，计算量大、评估时间长。在深空探测任务初始设计阶段，通常需要对大量的转移轨道进行性能评估与分析，这使得目前基于数值寻优的评估方法难以满足任务设计者的需求。寻求行星际连续推力转移轨道的快速评估方法是当前科技人员关注的热点问题之一。

在已发展的行星际连续推力转移轨道的评估方法中，现有技术[1](Vasile M,Minisci E,Locatelli M.Analysis of Some Global Optimization Algorithms for Space Trajectory Design[J].Journal of Spacecraft&Rockets,2012,47(2):334-344)，针对连续推力转移轨道的设计与评估问题，分析和对比了几种常用的全局优化算法，包括遗传算法、微分进化算法、单调盆地跳跃算法等，在此基础上，提出了一种结合微分进化算法和单调盆地跳跃算法的混合优化算法，解决了行星际连续推力转移轨道设计与评估问题。该方法的优点是融合了两种优化算法的优势，提高了对连续推力转移轨道最优解的搜索能力；缺点是微分进化算法和单调盆地跳跃算法都属于随机种群优化方法，导致转移轨道的评估效率低，进行连续推力轨道评估时所需的时间长。

现有技术[2](Kluever C A.Efficient Computation of Optimal Interplanetary Trajectories Using Solar Electric Propulsion[J].Journal of Guidance Control&Dynamics,2015,38:1-10)，针对行星际连续推力转移轨道的评估问题，提出了一种基于指数曲线拟合的解析评估方法。针对行星际同平面圆轨道之间的转移问题，该方法通过对优化设计得到的轨道数据进行指数曲线拟合，得到了转移轨道性能参数随初始轨道半径、目标轨道半径、推力大小等参数变化的解析表达式。该方法的优点是利用解析表达式可以实现转移轨道性能参数的快速评估，缺点是只能适用于同平面圆轨道之间转移的情况，无法解决非同平面非圆轨道之间转移轨道的评估问题。

发明内容

本发明为解决现有行星际连续推力转移轨道性能评估方法计算效率低、适用性差等问题，提出了一种行星际连续推力转移轨道评估方法。

一种行星际连续推力转移轨道评估方法，包括以下步骤：

步骤一、建立连续推力转移轨道优化模型：所述优化模型包括优化参数、性能指标Δm和约束条件三部分；

步骤二、通过求解所述的优化模型生成最优转移轨道样本数据：

设定轨道特征参数X的可能范围为[X_min,X_max]，在该范围内按照均匀分布规律随机生成N组轨道特征参数；针对每一组轨道特征参数，采用标准离散脉冲方法和序列二次规划算法对优化模型求解，得到最优转移轨道性能指标Δm^*，保存N组轨道特征参数及其对应的由优化模型计算出的最优转移轨道性能参数Δm^*，构成最优转移轨道样本数据；

步骤三、构建最优转移轨道性能参数的统计映射模型：

最优转移轨道性能指标Δm^*与特征参数X之间的映射模型为

Y＝Δm^*＝f(X)

根据步骤二生成的最优转移轨道样本数据，从中随机选取N_T组作为训练数据，N_R组作为测试数据；其中N_T+N_R＝N,然后选取训练数据中的N_I组作为初始训练集，将N_I组训练集作为已知条件，利用标准高斯过程递归方法进行训练学习，构建出由轨道特征参数到性能参数的映射模型；

步骤四、对转移轨道性能参数进行评估：

针对探测任务要求的轨道特征参数，利用步骤三构建的统计映射模型对最优转移轨道的性能参数进行评估，获得该轨道特征参数对应的最优转移轨道性能参数。

本发明的有益效果：