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非合作目标安全走廊设计及飞越逼近轨迹优化

王璟贤 师鹏 陈致钧 赵勇 白玉铸

王璟贤, 师鹏, 陈致钧, 等 . 非合作目标安全走廊设计及飞越逼近轨迹优化[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(9): 1832-1840. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0301
引用本文: 王璟贤, 师鹏, 陈致钧, 等 . 非合作目标安全走廊设计及飞越逼近轨迹优化[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(9): 1832-1840. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0301
WANG Jingxian, SHI Peng, CHEN Zhijun, et al. Design of non-cooperative target's safe corridor and optimization of fly-by approach trajectory[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(9): 1832-1840. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0301(in Chinese)
Citation: WANG Jingxian, SHI Peng, CHEN Zhijun, et al. Design of non-cooperative target's safe corridor and optimization of fly-by approach trajectory[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(9): 1832-1840. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0301(in Chinese)

非合作目标安全走廊设计及飞越逼近轨迹优化

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0301
基金项目: 

国家自然科学基金 61690210

国家自然科学基金 61690213

国家自然科学基金 11572019

详细信息
    通讯作者:

    师鹏, E-mail: shipeng@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V412.4+1

Design of non-cooperative target's safe corridor and optimization of fly-by approach trajectory

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61690210

National Natural Science Foundation of China 61690213

National Natural Science Foundation of China 11572019

More Information
  • 摘要:

    为提高空间非合作目标近距离逼近轨迹的安全性,同时对接近时间及所消耗燃料进行优化,针对空间失效自旋非合作目标近距离接近问题,给出了失效卫星动态安全走廊,并以飞越逼近方式抵达走廊入口,进一步提出了飞越逼近轨迹优化方法。首先,在建立失效卫星自旋模型的基础上,规划了安全区与禁飞区,提出了2种安全走廊的选择依据。其次,采用飞越逼近作为近距离接近方式,以节约燃料和缩短逼近时间为目标对两脉冲机动模型进行优化,选择3种优化算法得到接近轨迹。仿真结果表明:安全走廊的选择与卫星失效自旋的形式、外形以及接口位置有关;在飞越逼近两脉冲机动模型的优化问题中,采用Fgoalattain算法进行优化处理更具优越性。

     

  • 图 1  鑫诺2号卫星

    Figure 1.  Sinosat-2 satellite

    图 2  卫星三维模型

    Figure 2.  3D satellite model

    图 3  卫星包络椭球

    Figure 3.  Satellite envelope ellipsoid

    图 4  本体坐标系与计算坐标系关系图

    Figure 4.  Relationship between ontology coordinate system and computational coordinate system

    图 5  动量矩矢量在轨道坐标系随时间的变化

    Figure 5.  Change of momentum moment vector in orbit coordinate system with time

    图 6  在计算坐标系下的飞行禁区

    Figure 6.  Flight restricted area in calculated coordinate system

    图 7  两种走廊方向示意图

    Figure 7.  Schematic of two corridor directions

    图 8  两个时刻走廊的公共部分示意图

    Figure 8.  Schematic of the common part of corridor at two moments

    图 9  H向走廊示意图

    Figure 9.  Schematic of H-direction corridor

    图 10  H方向变化时不同的走廊示意图

    Figure 10.  Schematic of different corridors when H direction changes

    图 11  L向走廊示意图

    Figure 11.  Schematic of L-direction corridor

    图 12  失效后y向坐标随时间变化关系

    Figure 12.  Change of y-coordinate with time after failure

    图 13  飞越逼近原理图

    Figure 13.  Schematic of fly-by approach

    图 14  二维飞越逼近初始位置曲线

    Figure 14.  Initial position curve of 2D fly-by approach

    图 15  章动存在时入口在禁飞球上的投影

    Figure 15.  Projection of entrance to no-fly ball when nutation exists

    图 16  三维飞越逼近(有章动)初始位置曲线

    Figure 16.  Initial position curve of 3D fly-by approach (when nutation exists)

    图 17  总冲量与2段转移时间的关系

    Figure 17.  Relationship between total impulse and two transition time

    图 18  Pareto前沿面

    Figure 18.  Pareto front

    图 19  二维逼近结果图局部放大

    Figure 19.  Local zoom of 2D approach results

    图 20  三种不同优化算法在三维逼近下的结果

    Figure 20.  Results of three different optimization algorithms under 3D approach

    表  1  Pareto所选解集

    Table  1.   Pareto selected solution set

    维数 Δ v/(m·s-1) T/s t1/s t2/s
    二维 0.154 745 1 312.043 1 131.516 180.526 7
    三维 0.188 1 273.956 1 092.404 181.552
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    表  2  Fmincon算法优化结果

    Table  2.   Optimization results of Fmincon algorithm

    维数 v/(m·s-1) T/s t1/s t2/s
    二维 0.286 852 672 180
    三维 0.438 6 1 091.5 911.433 2 180.066 8
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    表  3  Fgoalattain算法优化结果

    Table  3.   Optimization results of Fgoalattain algorithm

    维数 Δ v/(m·s-1) T/s t1/s t2/s
    二维 0.130 6 1 497.5 1 317.5 180
    三维 0.156 5 1 497.5 1 317.5 180
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    表  4  优化性能对比

    Table  4.   Optimized performance comparison

    性能指标 Gamultiobj Fmincon Fgoalattain
    二维仿真时间/s 14 1 1
    三维仿真时间/s 1 390 19 3
    二维燃料消耗/(m·s-1) 0.154 745 0.286 0.130 6
    三维燃料消耗/(m·s-1) 0.188 0.438 6 0.156 5
    二维逼近时间/s 1 312.043 852 1 497.5
    三维逼近时间/s 1 273.956 1 091.5 1 497.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-30
  • 录用日期:  2020-08-07
  • 网络出版日期:  2021-09-20

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