航天动力学与控制系列丛书--空间多目标交会轨道设计与优化方法

空间多目标交会可提高在轨服务与深空探测等航天任务的回报，降低任务平均成本，逐渐受到各航天机构青睐。其轨道设计与优化存在复杂的离散与连续变量耦合，极具挑战，相关问题经常出现在国际和全国空间轨道设计竞赛题目中，也是近年航天器轨道设计领域研究热点。本书作者在空间交会领域有丰富的科研及工程经验，也曾多次参加空间轨道设计竞赛并取得了优异成绩。本书总结了作者及所在团队的部分研究成果，内容共分为6章。第1章阐述问题背景和研究现状;第2章介绍基础模型和算法;第3章关注单目标交会，包括摄动交会轨迹优化与速度增量估计;第4章关注多星补给任务，包括多航天器交会服务任务、星座补给重构任务、考虑目标配合的多航天器合作加注任务等的轨道设计与优化;第5章关注多空间碎片清除任务，包括“一对多”式碎片清除任务与“多对多”式大规模碎片清除任务的轨道设计与优化;第6章是含引力辅助的多星探测任务轨道设计与优化。
本书可为航天动力学、航天器轨迹优化、航天任务总体设计等领域的研究人员提供有益参考，也可为相关领域研究生入门提供助益。

（1）本书基于作者团队在航天器轨道优化方面的部分研究成果以及参加多届国际和国内轨道竞赛的经验，对多目标交会轨道的设计与优化相关理论、方法及应用进行了系统阐述。 （2）书中从研究人员较为关注的几个方面展开具体介绍，包括：基础模型和算法、单目标交会轨道设计相关方法、多目标交会轨道设计问题和相应的优化方法等。 （3）包含了大量的一线工作案例，图文并茂、系统性强，帮助读者更好的理解空间交会轨道优化的相关技术，对未来航天器轨道设计的研究发展具有很好的参考价值和指导意义。

航天器交会对接是开展载人航天、深空探测、在轨服务等复杂航天的使能技术。通过一次飞行交会多个空间目标具有更高的访问效率，在在轨服务与深空探测领域具有广泛的需求，受到各大航天机构的青睐。空间多目标交会轨道设计与优化，不仅关注单次交会中的摄动轨道特性、工程约束满足与高效优化求解，更关注交会目标的筛选、指派分组、排序等组合优化问题，极具挑战，相关问题经常出现在国际和全国空间轨道设计竞赛题目中，也是近年来航天器轨道设计领域的研究热点。
本书作者在研究工作早期，根据载人航天工程的需求，开展摄动约束交会轨道的设计与优化研究;在向在轨服务中的交会拓展过程中，出于提高在轨服务任务回报的想法，开展小规模空间多目标交会优化方法研究;进一步受国际与国内空间轨道设计大赛的影响，开展大规模空间多目标交会优化方法研究。除了作者自身的博士论文以之为基础外，所在课题组还有数名硕士、博士的学位论文也选择了这个研究方向。所在课题组曾多次参加国际和全国空间轨道设计竞赛并取得了优异成绩。
空间多目标交会轨道设计与优化，大体上可以从数值优化方法与航天器轨道本身两大方面开展研究，也可以从问题层级上分为目标星的选星与指派、交会任务的排序、单次交会评价三个层面，还可以从任务本身背景进一步细分。因此，本书内容分为6章。第1章是绪论，主要阐述多目标交会轨道设计问题的背景和研究现状;第2章是基础模型和算法，主要阐述多目标交会轨道设计问题的模型框架和基础理论方法，包括摄动交会动力学模型、规划问题基本概念与模型、多目标交会轨道设计与优化问题分析与建模、三类规划算法(蚁群、遗传、差分进化);第3章是单目标摄动交会轨道设计相关方法，其中，摄动交会轨迹优化方法包括机动受限的远距离导引与目标调相机动规划等，最优转移速度增量估计方法包括基于动力学的解析估计方法和基于机器学习的估计方法;第4章关注多星补给任务，包括多航天器交会服务任务、星座补给重构任务、考虑目标配合的多航天器合作加注任务等的轨道设计与优化;第5章关注多空间碎片清除任务，包括“一对多”式碎片清除任务与“多对多”式大规模碎片清除任务的轨道设计与优化;第6章是含引力辅助的多星探测任务轨道设计与优化。
本书的编写工作在国防科技大学空天科学学院完成，得到了国家自然科学基金、湖南省自然科学基金、载人航天工程科技创新团队等相关科研项目的支持，主体部分以张进和朱阅訸的研究工作为主，课题组毕业的硕士赵照与博士李九天为4.3节和6.2节提供了重要支持，整体架构得到了课题组罗亚中教授的指导，在此一并表示感谢。

著者
2023年11月

第1章 绪论 1
1.1 研究背景2
1.2 研究现状5
1.2.1 交会轨迹规划5
1.2.2 多星交会任务规划8
参考文献11

第2章 基础模型与算法 16
2.1 时间系统与坐标系17
2.1.1 时间系统17
2.1.2 坐标系19
2.2 摄动交会动力学模型21
2.2.1 地心系摄动动力学方程21
2.2.2 多引力体真实星历模型23
2.2.3 C-W 线性相对动力学方程23
2.2.4 极坐标系相对动力学方程24
2.2.5 轨道要素差分相对动力学方程26
2.2.6 Lambert交会动力学模型30
2.3 规划问题基本概念与模型31
2.3.1 一般规划问题31
2.3.2 组合优化问题32
2.4 多目标交会轨道设计与优化问题分析与建模36
2.4.1 问题类型36
2.4.2 模型框架分析37
2.4.3 各层问题模型38
2.4.4 问题建模流程41
2.5 规划算法42
2.5.1 蚁群算法42
2.5.2 遗传算法46
2.5.3 差分进化算法51
参考文献57

第3章 摄动交会轨道设计与分析方法 59
3.1 基于解析摄动的交会速度增量特性分析60
3.2 摄动交会最优速度增量变化规律分析64
3.3 基于机器学习的摄动交会最优速度增量估计方法67
3.3.1 估计流程68
3.3.2 数据集生成方法69
3.3.3 神经网络模型与训练方法70
3.3.4 算例72
3.4 机动受限的摄动交会机动规划方法83
3.4.1 典型摄动交会任务83
3.4.2 建模分析与求解分析85
3.4.3 远距离导引机动规划86
3.4.4 目标调相机动规划94
参考文献106

第4章 多星补给任务轨道设计与优化 108
4.1 多航天器交会服务与补给问题109
4.1.1 多航天器交会服务任务109
4.1.2 星座补给重构任务110
4.1.3 多航天器合作加注任务112
4.1.4 建模分析与求解分析116
4.2 多航天器交会服务编排117
4.2.1 编排问题模型117
4.2.2 分层-混合式求解策略118
4.2.3 算例119
4.3 星座补给重构编排123
4.3.1 编排问题模型123
4.3.2 分层-混合式求解策略124
4.3.3 算例125
4.4 多航天器合作加注编排134
4.4.1 编排问题模型135
4.4.2 分层-混合式求解策略136
4.4.3 算例138
参考文献143

第5章 多空间碎片清除任务轨道设计与优化 144
5.1 规划问题与模型145
5.1.1 “一对多”碎片清除任务规划模型146
5.1.2 “多对多”碎片清除任务规划模型147
5.2 “一对多”碎片清除任务规划方法149
5.2.1 问题特性与求解思路分析149
5.2.2 “一对多”序列规划蚁群算法152
5.2.3 分步规划流程159
5.2.4 算例159
5.3 “多对多”碎片清除任务规划方法170
5.3.1 问题特性与求解思路分析170
5.3.2 “多对多”序列规划蚁群算法171
5.3.3 “多对多”碎片清除任务总体规划方法177
5.3.4 算例179
参考文献185

第6章 含引力辅助的多星交会轨道设计与优化 187
6.1 引力辅助优化模型188
6.1.1 引力辅助机动分析模型188
6.1.2 引力辅助机动设计优化模型189
6.2 多小行星顺访的引力辅助序列规划方法191
6.2.1 规划模型192
6.2.2 算例192
6.3 高精度多引力辅助轨迹规划方法196
6.3.1 B平面制导196
6.3.2 高精度引力辅助模型198
6.3.3 高精度多引力辅助轨迹规划199
6.3.4 算例202

参考文献205