大筛选量多小天体探测小推力轨道全局规划与优化研究

Exploration of large amount of candidate near-Earth objects (NEOs) is of scientific significance, and global orbit programming and optimization is one of the crucial techniques. Ion propulsion that generates low thrust is paid much attention owing to its high specific impulse. This project theoretically study the method of global orbit programming and optimization for exploration of large amount of candidate NEOs. First, analytical study on low-thrust orbit transfer between two orbits will be presented. It includes analytical measure between the two transfer orbits and transfer optimization based on linearization. Second, rapid local optimization of very long sequence of NEOs is studied, which includes the attribute analysis of switching function, the quantitative relationships between the results optimized one by one and in whole, and high-precision numerical resolution methods. Third, global search of exploration sequence of large amount of NEOs by single probe is studied, which incudes the rapid channel between two orbits of NEOs, the algorithm complexity analysis of global search, and the global search algorithm based on deterministic and heuristic algorithms. Finally, global search of cooperative exploration sequence of large amount of NEOs by multi-probe is studied, which includes divide and conquer method and combinatorial optimization. This project aims at a suit of general, systematic and effective theory and program on global orbit programming and optimization for large amount of NEOs, so as to support orbit design of future asteroid explorations of our country.

大筛选量多小天体探测具有重大的科学意义，探测轨道的全局规划与优化是其中一项关键的技术难题，产生连续小推力的电推进因其高比冲备受青睐。项目研究电推进作用下大筛选量多小天体探测轨道全局规划与优化的理论方法。首先解析研究单段小推力轨道转移，包括两轨道间转移的解析度量和线性化转移优化方法。其次是甚长探测序列的快速局部优化，包括开关函数的特性研究、分段与整体优化的量化关系探讨、高精度的数值求解方法。再次是大筛选量中单颗探测器的探测序列全局优化搜索，包括小天体轨道间小推力快速通道探索，全局搜索算法的复杂度分析，基于确定式和启发式算法的全局搜索方法探究。最后是多颗探测器协同探测序列全局搜索，包括分而治之的搜索方法和组合最优化算法探索。项目旨在探索一套成体系的大筛选量多小天体探测轨道全局规划与优化的理论方法和计算软件，为我国未来的小天体探测提供轨道设计方面的理论支持。

项目以我国未来电推进小天体探测的轨道设计与轨迹优化为背景，开展大筛选量多小天体探测小推力轨道全局规划与优化研究，主要开展以下四条内容的研究：1) 单段小推力轨道转移解析研究；2) 甚长探测序列的快速局部优化；3) 大筛选量中单颗探测器的探测序列全局优化搜索；4) 多颗探测器协同探测序列全局搜索。项目取得了一些创新性成果，具体有：1) 建立了连续小推力轨道可达域的三种解析求解模型，提出了标称轨道线性化的协态初值解析猜测方法，建立了变比冲连续小推力轨迹优化模型与方法，发展了基于人工智能的轨迹优化方法，这些模型与方法提高了单段小推力轨道转移中轨迹优化的计算精度、收敛性能、计算效率，显著降低了计算量，更便于工程应用；2) 提出了燃料最优轨迹滑行段开关函数零点的高精度多项式拟合求解方法，发展了适用更为一般的长序列优化的协态变量保优变换，提出了小推力甚多圈轨迹优化的解析初始化多维度同伦方法，这些理论与方法显著提高了甚长序列轨迹的优化计算效率和收敛性能，并且能够保持最优性；3) 提出了结合进化精英算法与随机集束搜索的集束进化精英算法，提升了对大筛选量中单颗探测器的探测序列的寻优性能；4) 对多颗母子探测器分支繁衍式探测多目标、三颗探测器集群式探测多目标、多颗探测器协同分工式探测多目标等问题，分别提出了基于遗传算法的多级近似全局优化策略，基于多段无动力标称轨道拼接的粒子群优化算法，融合树搜索与进化算法的多级全局优化策略，要么获得国际专业竞赛亚军，要么事后提升了国内外专业竞赛冠军的指标成绩。研究成果能够为我国未来的小天体探测提供轨道设计方面的理论支撑。项目共发表期刊论文24篇，其中19篇SCI论文和8篇国内创办期刊的论文，国际会议EI论文3篇。培养博士后2名，博士毕业生3名，其中2人获清华大学优秀博士学位论文奖，1人被中国科协青年人才托举。通过四年的工作，项目组完成了所有预定的研究目标。