2010年国际深空探测轨道优化竞赛题目与竞赛结果

深空探测主要是指针对月球以远的天体和空间的探测活动. 自1959年前苏联发射``月球一 号'成功飞越月球以来, 人类发射了180多颗深空探测器, 已探测 了太阳系中除冥王星以外的主要天体及一些小行星. 早期探测器都采用脉冲推进方式, 推力 大、作用时间短, 可以采用几何方法设计轨道. 在未来的深空探测中, 将广泛采用高比冲连 续小推力方式, 轨道设计需要运用最优控制理论. 多目标、多任务探测的轨道优化设计, 实 际上是存在大量局部极值的全局优化问题. 为了探索轨道设计新理论和新方法, 促进同行交 流, 2005年欧空局新概念组(简称ACT)发起并组织了第一届深空探测轨道优化竞赛, 之后 每年由上届冠军接力主办. 参赛人员都是在科研一线从事轨道设计的专业人员, 来自大学的 参赛队伍中有些研究生. 在竞赛的4周时间内, 参赛队伍可动用任何人力和物力资源来解答 竞赛题目.     

连续小推力航天器的深空探测轨道优化方法综述

连续小推力作用下航天器的深空探测轨道的优化设计是一个存在大量局部最优解的全局优化问题. 轨道设计流程总体上分为全局优化和局部优化. 全局优化为粗略设计, 通常在对航天器受连续推力作用下的轨道作近似处理的前提下大致确定探测序列和时间节点. 局部优化方法可分为直接法、间接法和混合法. 直接法是将连续的问题离散成一个参数优化问题. 间接法是求解由变分法和极大值原理推导的满足一阶最优必要条件的两点或多点边值问题. 混合法利用间接法推导的方程, 再离散后优化求解. 本文综述当前轨道优化设计领域最新和最常用的方法, 分析各种方法的优缺点.     

2010年国际深空探测轨道优化竞赛的清华大学解法

介绍作者对国际深空探测轨道优化竞赛问题的解法, 包括全局优化方法和小推力局 部优化方法. 全局优化主要采用分枝定界法, 需要求解一系列Lambert问题. 局部优化采用 基于同伦方法的间接优化方法, 对协态变量初值进行了归一化, 在数值积分时构建了开关函 数检测方法以保证积分精度. 最后结合连续五次参加国际竞赛的经验和体会, 给出深空探测 轨道设计方面的研究展望.     

封面说明:首届全国深空探测竞赛

由中国力学学会、清华大学航天航空学院共同举办的``首届全国深空轨道设计竞赛颁奖大会 暨专题研讨会'于2009年5月16日在清华大学逸夫楼举行. 中国力学学会理事长李家春院士与会讲话与颁奖。李院士在发言中强调深空探测是未来各国 航天界重点发展的方向,是一个国家综合国力、整体技术实力的体现,在深空探测任务中, 力学扮演着举足轻重的角色. 该项竞赛活动为大学生、研究生提供了一个深入研究和探讨的 平台. 希望通过该项竞赛活动,为我国的深空探测领域选拔和储备后备人才. 首届竞赛的题目为``小行星探测轨迹优化设计问题',共有来自全国各地的33支队伍报名参 加. 深空飞行轨道的时间尺度很大、优化方法多样、可选的方案组合广泛,存在很多可行解, 寻找其中的最优方案是深空探测轨道设计的核心问题之一. 竞赛问题将主要考虑深空探测任 务轨道设计中的全局优化问题,模型参数将结合工程实际背景选取. 竞赛形式为公开发布题 目,根据性能指标的优劣评判名次. 本次竞赛从3月5日公布题目,要求5月16日前提交结 果,之后组织专家对各队提交的结果进行审核复算,最后评选出中科院光电研究院的参赛队 获得本届竞赛的冠军. 亚军、季军分别是来自西安测控中心、国防科技大学的参赛队。竞赛 活动优胜者获得奖杯与荣誉证书.(图文供稿:高云峰,宝音贺西,李俊峰,清华大学航天航空学院,北 京 100084)     

第3届全国深空轨道设计竞赛的通知

深空探测已成为当前航天领域的主要发展方向之一.未来30年我国将逐步开展火星、金星、小天体和其他深空探测活动.深空轨道设计对深空探测任务具有巨大的支撑作用.深空飞行轨道的时间、空间尺度很大,优化方法多样以及可选的方     

三体轨道动力学研究进展

三体系统轨道动力学问题是航天动力学领域中的经典问题, 具有丰富的理论与工程意义, 并将在人类由近地延伸到深空的航天活动过程中起到至关重要的作用. 本文回顾并总结了三体系统轨道动力学相关研究进展, 并结合未来的深空探测的发展趋势, 展望了三体系统轨道动力学研究中的热点与挑战. 首先阐述了三体问题的研究背景及意义, 简要回顾了三体系统动力学模型的发展历程. 其次, 系统概述了三体系统平衡点附近的局部运动特性, 介绍了平衡点附近周期轨道解析与数值求解方法, 给出了拟周期运动的最新进展. 同时总结了共振轨道、循环轨道、自由返回轨道等三类三体系统全局周期运动的动力学特性与研究进展. 再次, 从不变流形理论和弱稳定边界理论两个方面综述了三体系统中低能量转移与捕获轨道设计的研究进展. 最后, 综述了三体系统轨道动力学在编队飞行、导航星座设计两方面的应用, 并展望了全月面覆盖轨道设计、三体系统下的小推力轨道优化和三体系统的三角平衡点开发利用中值得关注的轨道动力学与控制问题.      

2010年国际深空探测轨道优化竞赛的国防科技大学解法

国际深空探测轨道优化竞赛是国际航天界的一项大型综合性赛事, 直接反应了各国开 展深空探测任务轨道设计与优化的实力. 结合课题组参加2010年举办的第五届比赛情况, 从 初步分析、小行星序列选取、小推力轨道设计和轨道演算与数据输出四方面进行了比赛历程 回顾, 给出了最终的设计结果, 并总结了参加比赛的收获与不足.     

基于多目标优化策略的结构可靠性稳健设计

应用可靠性稳健优化设计理论和多目标决策方法,将结构可靠性稳健优化设计转化为多目标优化问题。运用灰色理论中的关联分析法,选取粒子群算法中的全局极值和个体极值,提出了灰色粒子群算法求解可靠性稳健优化设计问题。与传统方法相比,该方法简便易行并能迅速准确地得到结构可靠性稳健优化设计信息。     

木卫停泊轨道间低耗能小推力转移轨道设计方法研究

对木卫停泊轨道间的低耗能小推力转移轨道设计方法进行了研究,提出基于"类halo轨道截面"法的低耗能转移轨道参数化方法和基于配点法的多体Lambert问题求解算法,并利用全局优化算法得出了燃耗最少的初步优化结果;利用多体同伦法和固定近心点高度的多圈转移控制律得到了各段小推力转移轨道的有效设计结果.所提方法同样适用于其他天体间的转移轨道设计,为多体环境下低耗能小推力转移轨道提出了新的设计思路和方法.     

航天器天线桁架结构多目标优化设计

针对有附加结构的卫星天线桁架结构,提出了一种实现结构多目标优化的综合设计方法。首先,探讨了附加结构刚度对桁架结构动力学特性的影响,以便建立精确的有限元模型,为进行优化设计奠定基础。之后,交替采用代理模型方法和人机交互方式进行结构拓扑构型设计。其中代理模型是采用优化拉丁超立方法进行试验设计,结合径向基函数近似方法生成的。最后,应用NSGA-II全局优化方法实现以重量最小化和频率最大化的多目标优化设计,并根据分层图定量可视化地从Pareto前端和Pareto最优解集中筛选最优设计方案。优化结果表明,相对于初始方案可以在基频几乎不变的情况下,重量减小29.66%。该方法有利于提高设计效率,降低全局优化的复杂度,同时能够得到满足设计要求的设计方案,适用于多目标结构优化设计。     

Low-thrust trajectory optimization for multiple target bodies tour mission

Spacecraft science missions to planets or asteroids have historically visited only one or several celestial bodies per mission. The research goal of this paper is to create a trajectory design algorithm that generates trajectory allowing a spacecraft to visit a significant number of asteroids during a single mission. For the problem of global trajectory optimization, even with recent advances in low-thrust trajectory optimization, a full enumeration of this problem is not possible. This work presents an algorithm to traverse the searching space in a practical fashion and generate solutions. The flight sequence is determined in ballistic scenario, and a differential evolution method is used with constructing a three-impulse transfer problem, then the local optimization is implemented with low-thrust propulsion on the basis of the solutions of impulsive trajectories. The proposed method enables trajectory design for multiple asteroids tour by using available low thrust propulsion technology within fuel and time duration constraints.     

基于填充函数与DCD的全局优化算法及其反演

岩土工程中以监测位移为已知信息的反演问题可通过带未知变量约束空间的优化模型去求解。该模型中的优化函数常具有非线性、非凸性等特点,使得反演结果容易陷入局部最优的困境。为了应对在运用优化算法反演此类问题时存在的困境,并提高其算法效率,依据填充函数优化思想与DCD(Dynamic Canonical Descent)思想在反演时的优良全局搜索能力及其算法优化特点,提出了基于填充函数和DCD思想的联合反演全局优化算法,并给出了其反演迭代形式。数值计算和工程应用结果均表明:对于随机给定的任何一组初始反演值,本算法都能稳定且快速地收敛到反演真值。该联合算法具有数值计算稳定性好、全局优化能力强、收敛速度快等优点,将其应用于岩土工程中的非线性反演求解中具有较好的前景。     

有限推力多小行星探测轨迹优化

针对任务时长与燃料存在限制的多颗小行星之间顺序探测轨迹优化问题,利用极小值原理,建立了整个探测区间的最优控制问题并使用同伦算法进行求解. 其中将目标飞越、交会等约束作为内点约束,特别地对交会后停留一定时间的约束进行了转换处理,使其成为与交会约束类似的形式;并给出了考虑起始时间可滑动的情形的最优条件. 结果表明,该算法可快速得到整体最优的探测轨迹,可应用于小行星多目标探测的任务设计与轨迹规划中.     

结构设计中的混沌优化方法及其改进

在变尺度混沌优化方法研究中．结合结构优化问题的特点,提出了一种改进的混沌优化求解算法,用来解决带有多种约束条件的结构优化设计问题。在有限元分析和优化设计软件JEFIX中实现了上述算法．并通过数值算例讨论了变尺度混沌优化方法在结构优化中的可行性及存在的问题,得到了一些重要结论。     

自由漂浮空间机器人路径优化的Legendre伪谱法

基于Legendre 伪谱法研究自由漂浮空间机器人非完整路径规划的最优控制问题. 自由漂浮是空间机器人执行任务常用的工作模式,其路径优化是空间机器人完成复杂空间任务的基础. 由于空间机器人不具有固定基座,机械臂和载体之间存在非完整约束,使得自由漂浮空间机器人路径规划完全不同于地面机器人而变得具有挑战性. 本文提出自由漂浮空间机器人路径规划的最优控制伪谱方法. 首先,利用多体动力学理论建立自由漂浮空间机器人动力学模型,给定系统的初始和目标位形,选取机械臂关节耗散能最小为性能指标,并考虑实际控制输入受限,建立其路径规划的Bolza 问题. 然后,应用Legendre 伪谱法,将状态和控制变量在Legendre-Gauss-Lobatto (LGL) 点上离散,并构造Lagrange 插值多项式逼近系统状态和控制变量,将连续路径优化问题离散化为非线性规划问题求解. 最后通过数值仿真表明,应用Legendre 伪谱法求解自由漂浮空间机器人非完整路径规划问题,得到的机械臂和载体最优运动轨迹,较好地满足各种约束条件,且计算精度高、速度快,并具有良好的实时性.      

THE EVOLUTION CHARACTERIZATION OF LIBRATIN POINT ORBITS AND APPLICATION RESEARCH

三体问题中, 轨道的受力和运动规律非常复杂. 对于特定的任务, 如何选择轨道的初始解是一大难题.针对平面三体问题, 利 用近拱点庞加莱映射, 对平动点顺行轨道和逆行轨道的长期和短期演化性质进行分析.根据轨道的初始状态将其分为逃逸轨道和捕获轨道.对于逃逸轨道, 给出了同宿轨道和异宿轨道的设计方法, 并利用两级微分修正法消除了拼接点处的位置不连续问题.对于捕获轨道, 得到了几类典型的周期和准周期轨道.对逆行轨道的演化性质进行分析时发现, 逆行轨道通常为准周期轨道, 比顺行轨道更加稳定.利用近拱点庞加莱映射可以快速确定不同类型轨道对应的初始状态, 为特定任务需求下的轨道设计提供了一种快速而有效的选择方案.     

Chaotic ant swarm for the traveling salesman problem

Chaotic ant swarm (CAS) is an optimization algorithm based on swarm intelligence theory, which has been applied to find the global optimum solution in continuous search space. However, it is not able to solve the combinational optimization problem directly, e.g., the traveling salesman problem (TSP). To tackle this problem, we propose a new method to solve the traveling salesman problem based on chaotic ant swarm, CAS-TSP for short. The CAS-TSP is developed by introducing a mapping from continuous space to discrete space, reverse operator and crossover operator into the CAS. Computer simulations demonstrate that the CAS-TSP is capable of generating optimal solution to instances of the TSPLIB in almost all test problems of sizes up to 150. Also a comparative computational study shows that this CAS-TSP algorithm is an efficient tool for solving TSP and this heuristic is competitive also with other heuristics.     

Trajectory optimization of a walking mechanism having revolute joints with clearance using ANFIS approach

Clearance as a real joint characteristic leads to deviation from desired trajectory in articulated mechanisms. This phenomenon makes the kinematic and dynamic performances of the mechanism worse. In this study, kinematic analysis of a Jansen’s mechanism used in a walking machine is performed. The model mechanism having two revolute joints with clearance is investigated for the trajectory analysis of the output link. It is clear that the mechanism’s trajectory is very sensitive to the clearance joint characteristics even if the clearance size is small. The adaptive network-based fuzzy inference system (ANFIS) is used to model the characteristics of joints with clearance. By using the suitable design variables and constraints, minimization of the trajectory errors arising from clearance is considered as an optimization problem. Optimization techniques are used to solve this problem for adjusting the optimum values of design variables. The obtained link dimensions show the success of the proposed modeling and optimization approach.     

Optimal placement of piezoelectric active bars in vibration control by topological optimization

A continuous variable optimization method and a topological optimization method are proposed for the vibration control of piezoelectric truss structures by means of the optimal placements of active bars. In this optimization model, a zero-one discrete variable is defined in order to solve the optimal placement of piezoelectric active bars. At the same time, the feedback gains are also optimized as continuous design variables. A two-phase procedure is proposed to solve the optimization problem. The sequential linear programming algorithm is used to solve optimization problem and the sensitivity analysis is carried out for objective and constraint functions to make linear approximations. On the basis of the Newmark time integration of structural transient dynamic responses, a new sensitivity analysis method is developed in this paper for the vibration control problem of piezoelectric truss structures with respect to various kinds of design variables. Numerical examples are given in the paper to demonstrate the effectiveness of the methods.