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主要介绍深空探测中的动力学与控制相关基础性问题，分析研究现状和发展趋势， 尝试提出新的研究课题.     

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)     

基于微分进化算法的深空轨道全局优化设计

针对多目标多任务的深空探测轨道设计问题,提出一种新的将探测目标、探测方式、探测顺序以及发射窗口同时作为优化变量, 并采用微分进化算法进行全局优化的设计方法. 使用该方法在只考虑太阳中心引力作用的二体模型下,基于圆锥曲线拼接法建立第三届全国深空轨道设计竞赛问题的优化模型并进行求解. 最后利用该方法求解ESA的ACT研究团队的深空探测任务算例并对结果进行对比分析. 结果表明, 提出的全局优化设计方法对解决多目标、多任务深空探测轨道优化设计问题是可行和有效的.      

深空探测自主导航技术综述

深空探测自主导航技术在减少地面测控负担, 提高探测器的生存能力和扩展探测器的特殊应用潜力等方面具有独特的优势, 自主导航在国外的深空探测活动中已经成功验证并逐步开始在实际任务中应用, 未来的自主导航技术将成为深空探测技术发展的一种必然趋势. 由于我国测控资源有限, 在我国的深空探测规划中, 发展自主导航技术将显得更为重要. 在我国即将开展火星和小行星探测计划的背景下, 本文综述了国外深空探测自主导航技术研究状况, 以及在一些探测任务中的试验和应用情况, 并对每个探测活动进行了简要概括;其次, 本文调研了国外自主导航系统中所采用的光学敏感器设备;最后, 结合"深空1号"任务巡航段基于小行星的光学自主导航, 分析提出了深空探测自主导航中需要掌握的关键技术, 并对相应的技术在国内外研究情况进行了总结.     

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.     

从国际深空探测大赛看理论力学教学及力学竞赛

1 国际深空探测轨迹设计大赛简介 太阳系中存在很多小行星,它们有着丰富的稀有金属资源,同时,一些近地小行星对地球的安全存在潜在的威胁.     

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.     

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.     

不规则小行星引力场内的飞行动力学

小行星探测是当前深空探测的主要方向之一,具有重要的科学意义.绝大多数小行星引力场极不规则,探测器在小行星附近运动形态复杂多样.由于同时受到中心引力、快速自旋的不规则形状摄动力、以及光压摄动等作用,探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸.概述小行星研究现状和不规则引力场建模方法.重点介绍不规则引力场内动力学特性,包括引力平衡点、局部流形、自然周期轨道和悬停探测轨道等,尝试提出新的研究方向.     

不规则小行星引力场内的飞行动力学

小行星探测是当前深空探测的主要方向之一,具有重要的科学意义.绝大多数小行星引力场极不规则,探测器在小行星附近运动形态复杂多样.由于同时受到中心引力、快速自旋的不规则形状摄动力、以及光压摄动等作用,探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸.概述小行星研究现状和不规则引力场建模方法.重点介绍不规则引力场内动力学特性,包括引力平衡点、局部流形、自然周期轨道和悬停探测轨道等,尝试提出新的研究方向.     

Flight dynamics over irregular asteroids

小行星探测是当前深空探测的主要方向之一,具有重要的科学意义.绝大多数小行星引力场极不规则,探测器在小行星附近运动形态复杂多样.由于同时受到中心引力、快速自旋的不规则形状摄动力、以及光压摄动等作用,探测器容易与小行星发生碰撞或逃逸.概述小行星研究现状和不规则引力场建模方法.重点介绍不规则引力场内动力学特性,包括引力平衡点、局部流形、自然周期轨道和悬停探测轨道等,尝试提出新的研究方向.     

基于脉冲星和小行星的组合导航在深空巡航段的应用

为提高航天器在深空探测巡航段的自主导航能力,提出一种利用脉冲星和小行星信息的自主导航系统.利用单X射线探测器测量脉冲星辐射的光子到达时间,利用导航相机获取小行星图像,经信号处理,获取脉冲星的脉冲到达时间和小行星中心点对应的像元像线,利用集中式扩展卡尔曼滤波算法进行状态估计,并修正星载时钟钟差.以美国“深空一号”任务深空巡航段轨道为例进行了仿真实验,仿真结果表明了该方法的有效性,能够完成深空探测器在巡航段的自主导航任务,同时,组合导航解决了基于小行星光学信息单独导航时的星载时钟钟差发散问题,且同光学导航相比,位置估计精度提高了57.18％.     

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...     

State-of-the-art and prospects for orbital dynamics and control near small celestial bodies

小天体探测是未来深空探测的重点领域之一, 而小天体附近轨道动力学与控制问题是小天体探测任务迫切需要解决的关键问题. 该问题涉及形状不规则小天体附近的动力学环境建模与小天体附近轨道动力学机理. 本文从不规则形状小天体引力场的建模、小天体附近的自然轨道动力学、小天体附近的受控轨道动力学3 个方面综述了小天体附近轨道动力学与控制的研究现状与发展趋势, 并分析了小天体附近轨道动力学所面临的挑战与难题, 最后对我国未来小天体探测任务可能涉及的轨道动力学与控制问题的发展方向进行了展望.     

第三届全国深空轨道设计竞赛总结

介绍了第三届全国深空轨道设计竞赛的题目和评价标准. 总结了各队的设计方法、设计结果排名以及获得的启示.     

2005-2009年国际深空轨迹优化竞赛综述

结合本课题组连续四次参加国际深空轨迹优化竞赛的经验, 依据竞赛主办单位公布的竞赛资料和相关国际学术研讨会的报告, 该文分别介绍了四届竞赛的工程应用背景和具体设计内容, 分析各优胜队的解决方案和技术特点, 包括小行星序列的确定、引力甩摆的运用、最优控制理论的应用、优化算法开发、优化软件的应用等. 通过分析对比, 总结了我们与其他代表队的理论和技术差距, 提出了对相关研究生教学和科研的启示, 给出了今后发展深空探测技术的建议.     

第二届全国深空轨道设计竞赛总结

简要地总结了第二届全国深空轨道设计竞赛的题目、评价标准、各参赛队设计结果以及从设计结果获得的启示.     

“第四届全国空间轨道设计竞赛研讨会”征文通知

为了促进交流与相互学习,共同推进我国空间轨道设计的研究与应用,中国力学学会、中国科学院空间应用工程与技术中心、北京航天飞行控制中心航天飞行动力学技术重点实验室、国防科学技术大学航天与材料工程学院共同主办＂第四届全国空间轨道设计竞赛＂（原＂全国深空轨道设计竞赛＂）．     

初值约束与两点边值约束轨道动力学方程的快速数值计算方法

轨道动力学快速计算是航天工程中的基础问题,广泛存在于轨道设计、空间抓捕以及深空探测等任务中.基于有限差分原理的经典数值积分算法,由于精度严重依赖小积分步长,难以满足航天器在轨快速计算需求.针对该问题,提出一种局部配点反馈迭代算法,该算法能高效解算受到初值约束和两点边值约束的轨道动力学方程.基于Picard迭代公式建立数...     

电火箭星际航行：技术进展、轨道设计与综合优化

早在1963年, 钱学森先生在他出版的专著《星际航行概论》中阐述了星际航行研究的重要性以及电火箭技术在星际航行中的应用前景. 与传统化学推进相比, 高比冲电火箭或电推进技术有望为星际航行任务承载更多有效载荷以及实现更佳航行性能. 与此同时, 与电火箭技术应用相关的连续推力轨道分析与优化设计为航天轨道力学注入了新的研究内容, 并指导着电火箭星际航行的未来发展. 该文将依次介绍电火箭技术进展、连续推力轨道设计以及电火箭星际航行的综合优化问题, 力图描述电火箭应用于星际航行的基本内容与实现途径以及应用于载人深空飞行的设想.