[发明专利]基于逐次凸规划的小行星探测小推力转移轨迹优化方法

说明书

本发明公开的基于逐次凸规划的小行星探测小推力转移轨迹优化方法，属于航空航天技术领域。本发明实现方法为：建立小行星探测器小推力转移的改进春分点动力学模型。根据小推力转移的动力学特性，给出小推力轨迹优化问题的约束和优化性能指标。给出小推力星际转移轨迹优化问题的具体形式。通过动力学线性化和非线性等式约束松弛，将非线性小推力转移问题凸化。通过数值积分将凸化后的连续最优控制问题转化为凸优化问题。以凸化后的子问题为每一步迭代的内环节，以逐次逼近策略在有限步数快速求解得到最优的小行星探测小推力转移轨迹，即能够在保证小推力轨迹最优性和精度前提下，实现小推力轨迹的在线优化。本发明鲁棒性强、可重复性高、灵活性高。

技术领域

本发明涉及基于逐次凸规划的小行星探测小推力转移轨迹优化方法，尤其涉及适用于小行星探测器星际转移任务的转移轨迹优化方法，属于航空航天技术领域。

背景技术

小行星探测是人类深空活动的热点方向，由于小行星蕴含宇宙原始信息，因此对小行星的探测可以极大的提高人类对于宇宙起源和演化的认知。在小行星探测任务中，由于飞行距离远，探测器需要携带较多的燃料以保证探测器可以到达目标小行星以及后续任务的展开，然而限于现有运载火箭的发射能力，小行星探测器的总重严重受限，充足的燃料储备势必减少探测器有效载荷，而有效载荷的减少直接导致单次小行星探测可执行任务的深度以及所能获取到的科学信息较少，因此，如何在不削弱搭载的载荷基础上降低小行星探测器的燃料比例是丰富探测任务回报的关键。

由于在小行星整个任务中，转移过程的轨道机动是消耗探测器推进剂的主体阶段，为此，科学家们研发了小推力发动机，尽管其推力小，但其可以在较长时间实现与化学推进相当的效果，这对于长时间星际转移的小行星探测任务非常适用，同时其高比冲又保证了在相同的机动大小前提可以极大地降低燃耗，因此小推力已经成为目前小行星探测器转移轨道机动的主体方式。尽管小推力转移相比于脉冲机动优势巨大，但相应的轨迹设计问题初值猜测敏感、难以收敛等，使得小推力转移轨迹优化成了目前公认的航天技术难题之一。同时，对于未来深空自主任务的需求，如何实现转移轨迹星上快速求解是自主任务执行的关键技术。

在已发展的关于星际转移小推力轨迹优化技术[1](参见：Jiang F,Baoyin H,LiJ.Practical techniques for low-thrust trajectory optimization with homotopicapproach[J].Journal of Guidance,Control,and Dynamics,2012,35(1):245-258.)给出基于同伦法的小推力转移轨迹优化方法，尽管该方法极大地提升了问题的收敛性，但最优转移轨迹需要在多组不同协态变量初值的结果中筛选，因此计算效率一般。

在先技术[2](参见：Wang Z,Grant M J.Minimum-fuel low-thrust transfersfor spacecraft:a convex approach[J].IEEE Transactions on Aerospace andElectronic Systems,2018,54(5):2274-2290.)给出了基于凸优化的小推力转移轨迹优化方法，尽管该方法计算效率高，但求解初值难以给定，且方法所得结果的最优性难以确定。

发明内容

本发明公开的基于逐次凸规划的小行星探测小推力转移轨迹优化方法要解决的技术问题是：提供一种通用性强的能够快速求解得到小推力轨迹的优化方法，能够在保证小推力轨迹最优性和精度前提下，实现小推力轨迹在线高效率优化，提高小行星探测小推力转移效率。本发明还具有如下优点：(1)鲁棒性强、可重复性高；(2)优化方法灵活性高；(3)对小行星任务类型没有依赖性；(4)对小行星探测转移任务的适用范围广。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。