›› 2015, Vol. 35 ›› Issue (3): 26-.doi: 10.3780/j.issn.1000-758X.2015.03.004

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基于粒子群算法的电帆轨迹优化设计

王昱,魏延明,李永,于洋,边炳秀   

  1. (1北京控制工程研究所,北京100080)(2中国空间技术研究院通信卫星事业部,北京100094)
  • 出版日期:2015-06-25 发布日期:2015-06-25
  • 作者简介:王昱 1986年生,2012年获北京工业大学化学工程专业硕士学位,现为中国空间技术研究院控制理论与控制工程专业博士研究生。研究方向为航天器轨道设计及姿态控制。

TrajectoryOptimizationofElectricSailBasedonParticleSwarmAlgorithm

WANGYu,WEIYanming,LIYong,YUYang,BIANBingxiu   

  1. (1BeijingInstituteofControlEngineering,Beijing100080)(2InstituteofTelecommunicationSatellite,ChinaAcademyofSpaceTechnology,Beijing100094)
  • Online:2015-06-25 Published:2015-06-25

摘要: 电帆是一种利用太阳风动量的新颖的无工质空间推进系统,文章研究了以电帆为对象的行星际转移轨迹优化问题。以地球轨道转移到火星、金星轨道为任务对象,采用连续推力模型,研究极坐标系下最小时间转移轨迹优化设计问题。提出了两种基于粒子群算法(PSO)的直接优化方法,避免对协态变量初值敏感的两点边值问题(TPBVP)求解。方法一是通过打靶法直接离散化控制量输入,将最优控制问题转化为非线性规划参数优化问题,采用PSO算法寻优,获得近似最优的转移轨迹。方法二是针对任何连续控制律曲线都能以一定精度的多项式函数进行曲线拟合的特性,设计逼近最优转移轨迹控制律的多项式函数,通过PSO算法优化多项式函数参数获得逼近最优解的转移轨迹。仿真结果表明采用上述两种方法进行转移轨迹优化设计,具有随机猜测初值、全局收敛、鲁棒性强的特点。

关键词: 电帆, 轨迹优化, 粒子群算法, 星际探测

Abstract: Theelectricsailisaninnovativenonpropellantpropulsioninspacewhichtakesadvantageof
themomentumofthesolarwind.Theminimumtimeinterplanetarytransferproblemoftheelectricsailwasstudied.ThemissionscenariosabouttransferringfromtheEarthtotheMarsandVenuswereinvestigated,usingacontinuoussteeringlawmodel,inapolarinertialframe.Twodirectmethodsbasedontheparticleswarmoptimization(PSO)algorithmwereproposed,whichavoidedsolvingthetwopointboundaryvalueproblem(TPBVP)whichwassensitivetotheinitialvalueofthecostatevariables.Thefirstmethodusedtheshootingmethodtodiscretizedthecontrolvariables,transformingtheoptimalcontrolproblemintoaparameteroptimizationproblemofnonlinearpropramming.BasedonthePSOalgorithm,thenearoptimaltransfertrajectorywasobtained.Thesecondmethodfocusedonthecharacteristicsthatallthecontinuouscontrollawscanbefittedusingthepolynomialfunctionundercertainprecision.Acontrollawwasdesignedtoapproximatetheoptimaltransfertrajectorybasedontheanalysisoftheresultsfromthefirstmethod,andthePSOalgorithmwasusedtooptimizetheparametersofthedesignedcontrollaw.Thesimulationresultsshowthatbothmethodshavetheadvantagesoftherandominitialvariableselection,largeconvergencerangeandgoodrobustness.

Key words: Electricsail, Trajectoryoptimization, ParticleswarmalgorithmInterplanetaryexploration