深空复杂序列微推进轨道动力学机理与优化设计方法研究

结合微推进和复杂序列行星借力的探测方式具有低燃耗、技术实现简单等诸多优点，为实现低成本高回报的深空探测任务提供了技术基础，由于目前对此类轨道的研究不深入，理论体系不完善，很难设计出满足任务约束的最优探测机会。解决这一问题的关键是发现其轨道动力学本质规律和机理。本项目将综合采用轨道动力学、应用非线性系统、最优控制、数值优化等理论，着重对此类型轨道的动力学机理与优化设计方法展开研究，重点突破近行星微推进轨道动力学和行星际微推进轨道动力学基本机理问题，发展高效的复杂序列微推进轨道规划和多目标多约束轨道的优化设计方法。本项目的研究成果将对航天器轨道动力学理论进行有益补充，并为未来开展微推进深空探测任务提供理论和技术基础。

本项目主要针对深空探测任务中复杂序列微推进轨道的动力学机理与优化设计问题开展研究。根据任务书要求，完成了近行星微推进轨道动力学机理与优化设计、行星际微推进轨道动力学机理、复杂序列微推进轨道规划、多目标多约束微推进轨道精确优化设计四个方面的研究工作。.在近行星微推进轨道动力学机理与优化设计方面，首先提出一种了基于局部最优控制律加权的微推进轨道设计与优化方法。该方法利用了各轨道根数的瞬时最优控制律，通过对各控制律进行加权实现对轨道的综合控制，具有设计参数少的优点，可实现对多圈微推进轨道的快速设计；进一步，研究了近行星微推进轨道调相机动问题，基于轨道根数平均化技术和速度方向推力假设，提出了一种圆轨道微推进调相机动的解析分析方法。该方法具有解析表达式，能够用于调相策略的选择，并可实现对调相时间的快速估计。.在行星际微推进轨道动力学机理方面，分别研究了基于逆N次多项式和切比雪夫多项式的微推进轨道逼近问题。对于逆N次多项式逼近方法，其能够在满足轨道边界条件情况下获得解析的推力加速度表达式，可以实现推力幅值约束下的微推进轨道Lambert问题求解；对于切比雪夫多项式逼近方法，在给定轨道边界条件下，利用4阶切比雪夫多项式就可以实现三维微推进轨道的唯一确定。.在复杂序列微推进轨道规划方面，提出了一种复杂序列微推进轨道的解空间剪切方法。该方法可对复杂序列微推进转移轨道的解空间进行预先处理，剔除不可行的区域，降低了转移轨道规划难度；进一步，给出了一种基于逆六次多项式的复杂序列微推进轨道初始设计方法。该方法可对交会型、飞越型等多种类型复杂序列微推进转移轨道进行快速初始规划，为进一步的优化与分析提供可靠的轨道关键参数。.在多目标多约束微推进轨道精确优化设计方面，首先提出了一种结合混合法与共轭状态转换的微推进轨道优化方法。相比传统优化方法，该方法结合了直接法与间接法的优点，同时共轭状态转换策略降低了协状态变量的初值猜测难题；进一步，针对具有开关结构的微推进轨道优化问题，给出了一种利用同伦变化的优化方法。该方法通过构造同伦函数，实现了由能量最优解向燃料最优解的逐次过渡，改善了优化问题的收敛性。