安全性最优交会轨迹特性分析与设计优化方法研究

随着交会对接技术朝着自主交会对接方向发展和应用领域的不断扩展，轨迹安全性在交会对接任务设计中占有越来越重要的位置。然而目前交会轨迹安全分析缺乏有效的定量评价方法，最优交会任务设计仍固守"燃料最优"这一传统设计思想，尚未有从安全性最优这一角度去分析设计交会任务的尝试。本项目试图从"安全性最优"这一新的设计思想分析研究交会轨迹，重点解决三个问题：交会轨迹安全性定量分析、安全性最优交会轨迹特性分析和兼顾燃料最优及安全性最优的折中设计方法。项目的研究将首次提出交会轨迹安全性定量分析方法，基于3σ椭球分析方法可用于考虑轨迹散布的在线分析；理论分析和数值优化揭示的安全性最优交会轨迹特性，有望为未来新型自主交会对接任务设计提供新的理念和思路；提出了兼顾燃料消耗、轨迹安全性等指标的多目标优化方法，是对传统单目标最优交会研究内涵和方法的有益扩充，可设计出应用于工程实际、整体性能更优的交会任务方案。

随着人类空间探测领域的不断扩展，未来空间任务面临的环境愈加复杂，对交会对接技术的自主性提出了更高的要求，因而交会安全性也愈加受到重视。本项目研究了交会轨迹安全性分析定量评价和设计优化方法。. 提出了考虑偏差的交会轨迹安全性的定量评价指标及其计算方法。1）基于3σ椭球和碰撞概率的思想，提出了交会轨迹安全性定量评价指标，研究了指标的快速计算方法；2）采用正交试验设计分析了交会时间、脉冲次数和脉冲间隔等交会轨迹的设计变量对指标的影响，获得了影响轨迹安全性主要因素的定性分析结果。. 提出了安全性最优交会轨迹设计思想，进行了安全性最优交会轨迹的特性分析。1）建立了接近段的多脉冲安全性最优线性交会的优化模型，进行了不同方向、不同脉冲数目下多个工况的求解，基于优化结果分析了安全性最优接近轨迹的特性以及在工程上的可实践性；2）采用Lambert算法，建立了寻的段的安全性最优二体交会的优化模型，进行了不同脉冲数目下多个工况的求解，探讨了安全性与推进剂消耗及交会时间之间的关系；3）以二体解为初始点，采用序列二次规划方法获得J2摄动解，分析了J2摄动项对安全性指标的影响。. 提出了含安全性指标的交会轨迹多目标优化模型及其适用算法。1）建立了接近段多目标最优线性交会优化模型，对比评价了NSGA2和SPEA2的优化性能，结果有效揭示了交会轨迹整体性能指标之间的关系以及交会方向和脉冲数目对优化结果的影响；2）建立了寻的段的二体和考虑J2摄动交会的多目标优化模型，采用物理规划算法获得了满足设计者偏好的二体Pareto最优解，在此基础上采用序列二次规划，求得J2摄动偏好解。. 项目研究提出了系统的交会过程安全性定量评价指标和高效的分析方法，从理论分析和数值优化角度揭示了安全性最优交会轨迹特性，发展了多目标最优交会设计方法，具有显著的理论意义；并且研究方法可以用于在轨的交会安全性评估，以及为设计整体性能更优的交会轨道提供新的手段，具有较高的工程应用价值。. 成果出版学术专著一部，在J. Guid. Control Dyn., Sci. China等上发表学术论文18篇，其中SCI收录5篇、EI收录15篇；在本项目支持下，负责人获得2012年度优秀青年科学基金资助， 1名博士研究生和2名硕士研究生顺利毕业；项目提出的交会轨迹安全性评价算法被推广应用到某工程型号任务中。