組合優(yōu)化算法的火星探測軌跡優(yōu)化

　　火星探測計劃是中國航天工程中，繼發(fā)射人造地球衛(wèi)星、載人航天、探月工程之后的第四大領(lǐng)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(wù)失敗，以及在2013年11月5日，印度成功發(fā)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(fā)展以火星探測為基礎(chǔ)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(zhì)量、自轉(zhuǎn)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(lián)發(fā)射“火星1號”探測器到如今，人類已經(jīng)發(fā)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(nèi)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(yōu)化設(shè)計中，全世界通常采用的是基于二體動力學(xué)模型的能量等高線圖，通過霍曼轉(zhuǎn)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(shè)計。然而，在地球一火星往返軌跡的設(shè)計中，通?？蛇x的優(yōu)化方案很多，尋找全局最優(yōu)軌跡設(shè)計是核心問題。

　　本文從我國的火星任務(wù)笈出，從我國的海南發(fā)射場發(fā)射一顆火星探測器，采用了一種靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化與動態(tài)參數(shù)優(yōu)化的全局一體化的火星探測軌跡組合優(yōu)化算法進行軌跡設(shè)計。靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化方法采用了全局搜索法；動態(tài)參數(shù)優(yōu)化方法采用改進的動態(tài)規(guī)劃法和共軛梯度法。首先，利用動態(tài)規(guī)劃法和靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化在任務(wù)時間內(nèi)，搜索最優(yōu)的發(fā)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(yōu)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(yōu)方案。通過長時間大規(guī)模數(shù)值仿真，驗證了該組合優(yōu)化算法是可行的，現(xiàn)詳細介紹如下。
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