組合優化算法的火星探測軌跡優化

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資料介紹

　　火星探測計劃是中國航天工程中，繼發射人造地球衛星、載人航天、探月工程之后的第四大領域，尤其是2011年11月9日，搭載中國的火星探測器“螢火一號”的俄羅斯的“福布斯一土壤”火星探測器任務失敗，以及在2013年11月5日，印度成功發射了首枚火星探測器，都深深地影響了我國的火星探測計劃，促使我國必須大力發展以火星探測為基礎的深空探測活動。

　　火星作為太陽系中的行星，包括軌道高度、半徑、質量、自轉周期等各個特征都與地球極為相近，可以把火星和地球比作孿生兄弟。對火星進行探測，對我國乃至整個人類的深空探測活動都有著深遠的意義。自1962年11月蘇聯發射“火星1號”探測器到如今，人類已經發射了超過40顆火星探測器，其中成功率接近50%，目前，包括好奇號在內的7個探測器仍然在火星及軌道工作。在地球一火星往返軌道優化設計中，全世界通常采用的是基于二體動力學模型的能量等高線圖，通過霍曼轉移和有時間拘束的蘭伯特問題的求解，進行圓錐曲線拼接，由此完成航天器整個地球一火星往返軌道的設計。然而，在地球一火星往返軌跡的設計中，通常可選的優化方案很多，尋找全局最優軌跡設計是核心問題。

　　本文從我國的火星任務笈出，從我國的海南發射場發射一顆火星探測器，采用了一種靜態參數優化與動態參數優化的全局一體化的火星探測軌跡組合優化算法進行軌跡設計。靜態參數優化方法采用了全局搜索法；動態參數優化方法采用改進的動態規劃法和共軛梯度法。首先，利用動態規劃法和靜態參數優化在任務時間內，搜索最優的發射窗口和返回窗口，并使航天器所需能量最小；同時，獲得了一個次優方案；然后利用共軛梯度法來求解該兩點邊值問題，獲得最優方案。通過長時間大規模數值仿真，驗證了該組合優化算法是可行的，現詳細介紹如下。
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