目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 航天器軌跡優(yōu)化的研究背景與意義 1
1.2 航天器軌跡優(yōu)化問(wèn)題分類(lèi) 2
1.3 航天器軌跡優(yōu)化的發(fā)展歷程 3
1.3.1 20世紀(jì)50年代前后的最優(yōu)控制理論 4
1.3.2 20世紀(jì)60年代發(fā)展興起的間接法 5
1.3.3 20世紀(jì)70年代以來(lái)的直接法 7
1.3.4 20世紀(jì)90年代以來(lái)的智能優(yōu)化算法 11
1.4 本書(shū)的目的和內(nèi)容安排 13
參考文獻(xiàn) 14
第2章 軌跡最優(yōu)化基礎(chǔ)理論 17
2.1 最優(yōu)控制問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述 17
2.2 變分法 18
2.2.1 泛函極值與變分 18
2.2.2 泛函極值的必要條件 21
2.2.3 最優(yōu)控制問(wèn)題的變分法 24
2.3 極小值原理 26
2.3.1 極小值原理的基本形式 26
2.3.2 具有軌線約束的最優(yōu)控制問(wèn)題 28
2.4 數(shù)學(xué)規(guī)劃基本理論 31
2.4.1 無(wú)約束極值理論 31
2.4.2 等式約束極值問(wèn)題的經(jīng)典拉格朗日理論 32
2.4.3 不等式約束極值問(wèn)題的庫(kù)恩-塔克(Kuhn-Tucker)理論 33
參考文獻(xiàn) 35
第3章 軌跡優(yōu)化參數(shù)化方法 37
3.1 基于極小值原理的間接法 37
3.1.1 間接法的參數(shù)化方法 37
3.1.2 間接法的特點(diǎn) 38
3.1.3 間接法的若干典型應(yīng)用 38
3.2 傳統(tǒng)的直接法 39
3.2.1 傳統(tǒng)直接法的參數(shù)化方法 39
3.2.2 傳統(tǒng)直接法的特點(diǎn) 43
3.2.3 傳統(tǒng)直接法的若干典型應(yīng)用 43
3.3 偽譜法 43
3.3.1 偽譜法的參數(shù)化方法 44
3.3.2 偽譜法的特點(diǎn) 49
3.3.3 偽譜法的若干典型應(yīng)用 49
3.4 其他方法 50
3.4.1 動(dòng)態(tài)逆方法 50
3.4.2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法 51
3.4.3 滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化 52
3.4.4 快速探索隨機(jī)樹(shù)法 53
3.4.5 軌跡優(yōu)化方法的其他相關(guān)問(wèn)題 54
參考文獻(xiàn) 55
第4章 軌跡優(yōu)化數(shù)值優(yōu)化算法 58
4.1 航天器軌跡優(yōu)化中的優(yōu)化算法研究概述 58
4.1.1 航天器軌跡優(yōu)化中的經(jīng)典優(yōu)化算法 58
4.1.2 航天器軌跡優(yōu)化中的智能優(yōu)化算法 59
4.2 兩點(diǎn)邊值問(wèn)題的求解方法 60
4.2.1 兩點(diǎn)邊值問(wèn)題的打靶法 61
4.2.2 共軛梯度法 61
4.2.3 兩點(diǎn)邊值問(wèn)題的非線性優(yōu)化 62
4.3 經(jīng)典非線性規(guī)劃算法 62
4.3.1 無(wú)約束直接優(yōu)化算法 62
4.3.2 無(wú)約束間接優(yōu)化算法 63
4.3.3 約束處理算法 63
4.4 序列二次規(guī)劃算法 67
4.4.1 概述 67
4.4.2 算法原理與步驟 68
4.4.3 軟件 71
4.5 智能優(yōu)化算法 71
4.5.1 遺傳算法 71
4.5.2 模擬退火算法 73
4.5.3 微粒群算法 76
4.5.4 差分進(jìn)化算法 77
4.5.5 蟻群算法 78
4.6 多目標(biāo)優(yōu)化算法 79
4.6.1 多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題 79
4.6.2 多目標(biāo)問(wèn)題求解方法分類(lèi) 80
4.6.3 傳統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化算法 82
4.6.4 多目標(biāo)進(jìn)化算法 82
4.6.5 物理規(guī)劃方法 88
參考文獻(xiàn) 92
第5章 運(yùn)載火箭發(fā)射軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化 101
5.1 運(yùn)載火箭發(fā)射軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化研究進(jìn)展 101
5.1.1 國(guó)外研究進(jìn)展 101
5.1.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展 102
5.2 發(fā)射軌道設(shè)計(jì)優(yōu)化基本模型 103
5.2.1 運(yùn)載火箭發(fā)射軌道動(dòng)力學(xué)模型 103
5.2.2 運(yùn)載火箭發(fā)射軌道優(yōu)化問(wèn)題 104
5.2.3 發(fā)射軌道程序角參數(shù)化方法 105
5.2.4 目標(biāo)軌道入軌條件計(jì)算 106
5.3 地球同步軌道發(fā)射軌道設(shè)計(jì) 107
5.3.1 發(fā)射過(guò)程 107
5.3.2 停泊軌道的選擇與進(jìn)入停泊軌道的條件 108
5.3.3 GTO的選擇與進(jìn)入GTO的條件 108
5.3.4 俯仰角程序的選擇 109
5.4 基于分解策略的GTO發(fā)射軌道優(yōu)化 110
5.4.1 研究?jī)?nèi)容 110
5.4.2 參數(shù)化處理及分析計(jì)算模型 110
5.4.3 兩級(jí)規(guī)劃模型 111
5.4.4 發(fā)射軌道的分解優(yōu)化模型 112
5.4.5 優(yōu)化策略設(shè)計(jì) 114
5.4.6 GTO發(fā)射軌道優(yōu)化結(jié)果分析 115
5.5 LEO和SSO發(fā)射軌道優(yōu)化策略 119
5.5.1 LEO發(fā)射軌道優(yōu)化策略 120
5.5.2 SSO發(fā)射軌道優(yōu)化策略 120
5.6 最小起飛質(zhì)量?jī)杉?jí)優(yōu)化 121
5.6.1 最小起飛質(zhì)量?jī)?yōu)化策略 121？？
5.6.2 最小起飛質(zhì)量?jī)杉?jí)規(guī)劃模型 122
5.6.3 結(jié)果分析 124
參考文獻(xiàn) 126
第6章 航天器再入軌跡設(shè)計(jì)優(yōu)化 129
6.1 再入軌跡設(shè)計(jì)優(yōu)化研究進(jìn)展 129
6.1.1 傳統(tǒng)航天器再入軌跡設(shè)計(jì) 129
6.1.2 機(jī)動(dòng)再入飛行器軌跡優(yōu)化 129
6.2 傳統(tǒng)再入航天器軌跡設(shè)計(jì)優(yōu)化 131
6.2.1 彈道-升力式再入軌跡設(shè)計(jì) 131
6.2.2 升力式再入軌跡設(shè)計(jì) 133
6.3 基于平面運(yùn)動(dòng)模型的滑翔式再入軌跡優(yōu)化 135
6.3.1 軌跡優(yōu)化問(wèn)題描述 136
6.3.2 軌跡優(yōu)化算例與結(jié)果分析 138
6.3.3 基于軌跡優(yōu)化的最優(yōu)攻角設(shè)計(jì) 142
6.4 基于空間運(yùn)動(dòng)模型的滑翔式再入軌跡優(yōu)化 144
6.4.1 軌跡優(yōu)化問(wèn)題描述 145
6.4.2 軌跡優(yōu)化策略與求解器 149
6.4.3 軌跡優(yōu)化算例與結(jié)果分析 150
6.5 基于空間運(yùn)動(dòng)模型的滑翔式再入軌跡在線生成 156
6.5.1 軌跡在線生成問(wèn)題描述 157
6.5.2 再入走廊的確定 158
6.5.3 縱向參考軌跡的在線規(guī)劃 159
6.5.4 三自由度軌跡的在線生成 161
6.5.5 軌跡在線生成算例與結(jié)果分析 163
參考文獻(xiàn) 164
第7章 空間最優(yōu)脈沖軌道機(jī)動(dòng) 167
7.1 空間最優(yōu)軌道機(jī)動(dòng)問(wèn)題 167
7.1.1 基本數(shù)學(xué)模型 167
7.1.2 軌道機(jī)動(dòng)問(wèn)題的分類(lèi) 168
7.1.3 不同推力模型及設(shè)計(jì)變量 169
7.2 最優(yōu)脈沖軌道機(jī)動(dòng)研究概述 170
7.2.1 間接方法 171
7.2.2 直接方法 172
7.3 最優(yōu)脈沖軌道機(jī)動(dòng)基本理論和算法 173
7.3.1 主矢量理論及算法 173
7.3.2 Lambert算法 178
7.4 最優(yōu)脈沖軌道轉(zhuǎn)移典型算法 187
7.4.1 典型最優(yōu)軌道轉(zhuǎn)移結(jié)論 187
7.4.2 基于Lambert算法的最優(yōu)多脈沖轉(zhuǎn)移 188
7.4.3 基于Gauss偽譜法的多脈沖最優(yōu)轉(zhuǎn)移 190
7.5 最優(yōu)脈沖軌道交會(huì)典型算法 195
7.5.1 基于主矢量理論的最優(yōu)脈沖線性交會(huì) 195
7.5.2 最優(yōu)多脈沖非線性交會(huì)的規(guī)劃模型 199
7.5.3 基于主矢量理論和進(jìn)化算法的交互式求解方法 201
7.6 深空探測(cè)引力輔助最優(yōu)脈沖機(jī)動(dòng)優(yōu)化 211
7.6.1 引力輔助機(jī)動(dòng)分析模型 211
7.6.2 多脈沖機(jī)動(dòng)優(yōu)化模型 212
7.6.3 算例分析 215
7.7 小行星探測(cè)多脈沖交會(huì)軌道多目標(biāo)優(yōu)化 217
7.7.1 小行星探測(cè)深空轉(zhuǎn)移軌道機(jī)動(dòng)問(wèn)題 218
7.7.2 多目標(biāo)優(yōu)化模型與算法 219
7.7.3 算例分析 220
參考文獻(xiàn) 223
第8章 空間有限推力最優(yōu)軌道機(jī)動(dòng) 228
8.1 有限推力最優(yōu)軌道機(jī)動(dòng)研究概述 228
8.1.1 間接方法 228
8.1.2 直接方法 230
8.1.3 其他方法 231
8.2 固定推力地球軌道轉(zhuǎn)移問(wèn)題 231
8.2.1 兩點(diǎn)邊值問(wèn)題 232
8.2.2 邊值條件分析 233
8.2.3 算例分析 235
8.3 小推力火星探測(cè)最優(yōu)軌道轉(zhuǎn)移問(wèn)題 236
8.3.1 小推力星際軌道轉(zhuǎn)移問(wèn)題 237
8.3.2 最短時(shí)間軌道轉(zhuǎn)移的間接算法 238
8.3.3 基于模擬退火算法的直接優(yōu)化方法 240
8.4 有限推力最優(yōu)線性交會(huì)問(wèn)題 242
8.4.1 C-W交會(huì)動(dòng)力學(xué)模型 242
8.4.2 連續(xù)推力最優(yōu)線性交會(huì) 243
8.4.3 固定推力最優(yōu)線性交會(huì) 248
8.5 小推力最優(yōu)非線性交會(huì)問(wèn)題 252
8.5.1 小推力軌道動(dòng)力學(xué)模型 252
8.5.2 小推力最優(yōu)交會(huì)的典型間接法 256
8.5.3 小推力最優(yōu)交會(huì)的直接法性能分析 258
8.6 月面最優(yōu)著陸問(wèn)題 266
8.6.1 月面最優(yōu)定點(diǎn)著陸問(wèn)題描述 266
8.6.2 優(yōu)化策略 270
8.6.3 算例分析 271
參考文獻(xiàn) 273
第9章 航天器軌跡優(yōu)化軟件 279
9.1 概述 279
9.2 美國(guó)典型軌跡優(yōu)化軟件 281
9.2.1 POST和GTS281
9.2.2 OTIS281
9.2.3 SOCS282
9.2.4 DIDO282
9.3 歐洲典型軌跡優(yōu)化軟件 282
9.3.1 ASTOS282
9.3.2 其他軌跡優(yōu)化軟件 285
9.4 著者開(kāi)發(fā)的軌跡優(yōu)化軟件 286
9.4.1 運(yùn)載火箭軌跡優(yōu)化軟件 286
9.4.2 空間交會(huì)路徑規(guī)劃軟件 288
9.4.3 優(yōu)化算法與最優(yōu)控制軟件(SOAOC)294
參考文獻(xiàn) 297