Оценка времени перелета к астероидам с малой тягой с использованием нейронных сетей

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В настоящей статье рассматривается задача оптимизации времени для многократных сближений с астероидами при использовании малой тяги. Сначала для генерации обучающих данных был применен косвенный метод, основанный на принципе максимума Понтрягина, с помощью которого оптимизировались траектории с минимальным временем перелета с малой тягой. Глубокая нейронная сеть использовалась для оценки минимального времени перелета между каждой парой астероидов. Для улучшения прогнозирования в части быстрых перелетов (время перелета менее 150 дней) набор данных был расширен. На основе обученной нейронной сети в рамках метода пучкового поиска (beam search) был осуществлен быстрый поиск кратчайшего маршрута для последовательного сближения с несколькими астероидами, начиная с произвольного. В результате была получена оптимальная последовательность перелета сближений с 15 астероидами одним космическим аппаратом. Среднее время перелета на каждом отдельном участке маршрута составило 107.5 дня.

Об авторах

Чж. Ли

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: lzj114065264@outlook.com
Москва, Россия

В. В. Корянов

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Email: vkoryanov@mail.ru
Москва, Россия

В. А. Зубко

Институт космических исследований РАН

Email: v.zubko@cosmos.ru
Москва, Россия

Список литературы

  1. Ивашкин В.В., Чернов А.В. Оптимизация траекторий перелетов космического аппарата к сближающемуся с Землей астероиду при использовании малой тяги // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 1996. № 62. https://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=1996-62
  2. Ивашкин В.В., Чернов А.В. Определение оптимальных траекторий космических полетов к сближающемуся с Землей астероиду с использованием малой тяги // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 1997. № 19. https://library.keldysh.ru/preprint.asp?id=1997-19
  3. Bellome A., Sanchez J.P., Kemble S. Multi-objective design of gravity assist trajectories via graph transcription and dynamic programming. Ph.D. thesis. Cranfield University, 2022.
  4. D’Amario L.A., Bright L.E., Wolf A.A. Galileo trajectory design // Space Science Reviews. 1992. V. 60(1). P. 23–78. https://doi.org/10.1007/BF00216849
  5. Prockter L., Murchie S., Cheng A. et al. The NEAR Shoemaker mission to asteroid 433 Eros // Acta Astronautica. 2002. V. 51(1–9). P. 491–500.
  6. Rayman M.D., Chadbourne P.A., Culwell J.S. et al. Mission design for Deep Space 1: A low-thrust technology validation mission // Acta Astronautica. 1999. V. 45(4–9). P. 381–388. https://doi.org/10.1016/S0094-5765(99)00157-5
  7. Accomazzo A., Ferri P., Hubault A. et al. Rosetta visits asteroid (21) Lutetia // Acta Astronautica. 2012. V. 72. P. 178–184. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2011.09.006
  8. Kawaguchi J., Fujiwara A., Uesugi T. Hayabusa – its technology and science accomplishment summary and Hayabusa-2 // Acta Astronautica. 2008. V. 62(10). P. 639–647. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2008.01.028
  9. ESA - JUICE spacecraft specs. https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Juice/Juice_spacecraft_specs
  10. GTOC Portal – The Global Trajectory Optimisation Competition Portal. https://sophia.estec.esa.int/gtoc_portal/
  11. Понтрягин Л.С., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В. и др. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Физматиздат, 1983. 392 с.
  12. Ивашкин В.В., Крылов И.В. Оптимизация траекторий космического аппарата с электроракетным двигателем малой тяги // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2020. № 94. С. 1–32. https://doi.org/10.20948/prepr-2020-94
  13. Иванюхин А.В., Петухов В.Г., Юн Сон Ук. Траектории перелета к Луне с минимальной тягой // Косм. исслед. 2022. Т. 60. № 6. С. 517–527.
  14. Ду Ч., Старинова О.Л. Генерация искусственных гало-орбит в окололунном пространстве с использованием двигателей малой тяги // Косм. исслед. 2022. Т. 60. С. 151–166. https://doi.org/10.31857/S0023420622020029
  15. Моргунов Н.В., Широбоков М.Г. Двухуровневый параметрический метод оптимизации траектории перелета с малой тягой // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2024. № 56. С. 1–24. https://doi.org/10.20948/prepr-2024-56
  16. Pan B., Ran Y., Qing W. et al. Heat-equation-based smoothing homotopy method for nonlinear optimal control problems // J. Guidance, Control, and Dynamics. 2024. P. 1–14. https://doi.org/10.2514/1.G008216
  17. Morelli A., Hofmann C., Topputo F. A homotopic approach for robust low-thrust trajectory design through convex optimization // Proc. 72nd International Astronautical Congress. Dubai, UAE. 2021.
  18. Guo X., Ren D., Wu D. et al. DNN estimation of low-thrust transfer time: Focusing on fast transfers in multi-asteroid rendezvous missions // Acta Astronautica. 2023. V. 204. P. 518–530. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2022.09.006
  19. Bellome A., Sánchez J.P., Mateas J.C.G. et al. Modified dynamic programming for asteroids belt exploration // Acta Astronautica. 2024. V. 215. P. 142–155. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.11.018
  20. Лебедев В.Н. Расчет движения космического аппарата с малой тягой. М.: Вычислительный центр АН СССР, 1968. 108 с.
  21. Корнеев К.Р. Длительность перелета между круговыми компланарными орбитами с идеально регулируемым двигателем малой тяги // Материалы молодежной научной конференции “Новые горизонты прикладной математики – 2024”. Т. 1. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша, 2024. С. 38–39. https://doi.org/10.20948/prepr-2024-10226
  22. Сорокин А.В., Широбоков М.Г. Разработка нейронных сетей для управления орбитальным движением космического аппарата с двигателем малой тяги // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2018. № 269. 31 с. https://doi.org/10.20948/prepr-2018-269
  23. Li H., Chen S., Izzo D. et al. Deep networks as approximators of optimal low-thrust and multi-impulse cost in multitarget missions // Acta Astronautica. 2020. V. 166. P. 469–481. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2019.09.023
  24. Gao Y., Kluever C. Low-thrust interplanetary orbit transfers using hybrid trajectory optimization method with multiple shooting // AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit. 2004. https://doi.org/10.2514/6.2004-5088
  25. Battin R.H. An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics. New York: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1999.
  26. Jiang F., Baoyin H., Li J. Practical techniques for low-thrust trajectory optimization with homotopic approach // J. Guid. Control Dyn. 2012. V. 35(1). P. 245–258. https://doi.org/10.2514/1.52476
  27. Izzo D., Märtens M., Pan B. A survey on artificial intelligence trends in spacecraft guidance dynamics and control // Astrodynamics. 2019. V. 3(4). P. 287–299. https://doi.org/10.1007/s42064-018-0053-6
  28. Kurz-Kim J.-R., Loretan M. On the properties of the coefficient of determination in regression models with infinite variance variables // J. Econometrics. 2014. V. 181. Iss. 1. P. 15–24. https://doi.org/10.1016/j.jeconom.2014.02.004
  29. Battin R.H. An Introduction to the Mathematics and Methods of Astrodynamics. New York: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1999.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025