空間多目標交會可提高在軌服務與深空探測等航天任務的回報，降低任務平均成本，逐漸受到各航天機構青睞。其軌道設計與優化存在復雜的離散與連續變量耦合，極具挑戰，相關問題經常出現在國際和全國空間軌道設計競賽題目中，也是近年航天器軌道設計領域研究熱點。本書作者在空間交會領域有豐富的科研及工程經驗，也曾多次參加空間軌道設計競賽并取得了優異成績。本書總結了作者及所在團隊的部分研究成果，內容共分為6章。第1章闡述問題背景和研究現狀;第2章介紹基礎模型和算法;第3章關注單目標交會，包括攝動交會軌跡優化與速度增量估計;第4章關注多星補給任務，包括多航天器交會服務任務、星座補給重構任務、考慮目標配合的多航天器合作加注任務等的軌道設計與優化;第5章關注多空間碎片清除任務，包括“一對多”式碎片清除任務與“多對多”式大規模碎片清除任務的軌道設計與優化;第6章是含引力輔助的多星探測任務軌道設計與優化。
本書可為航天動力學、航天器軌跡優化、航天任務總體設計等領域的研究人員提供有益參考，也可為相關領域研究生入門提供助益。

（1）本書基于作者團隊在航天器軌道優化方面的部分研究成果以及參加多屆國際和國內軌道競賽的經驗，對多目標交會軌道的設計與優化相關理論、方法及應用進行了系統闡述。 （2）書中從研究人員較為關注的幾個方面展開具體介紹，包括：基礎模型和算法、單目標交會軌道設計相關方法、多目標交會軌道設計問題和相應的優化方法等。 （3）包含了大量的一線工作案例，圖文并茂、系統性強，幫助讀者更好的理解空間交會軌道優化的相關技術，對未來航天器軌道設計的研究發展具有很好的參考價值和指導意義。

航天器交會對接是開展載人航天、深空探測、在軌服務等復雜航天的使能技術。通過一次飛行交會多個空間目標具有更高的訪問效率，在在軌服務與深空探測領域具有廣泛的需求，受到各大航天機構的青睞。空間多目標交會軌道設計與優化，不僅關注單次交會中的攝動軌道特性、工程約束滿足與高效優化求解，更關注交會目標的篩選、指派分組、排序等組合優化問題，極具挑戰，相關問題經常出現在國際和全國空間軌道設計競賽題目中，也是近年來航天器軌道設計領域的研究熱點。
本書作者在研究工作早期，根據載人航天工程的需求，開展攝動約束交會軌道的設計與優化研究;在向在軌服務中的交會拓展過程中，出于提高在軌服務任務回報的想法，開展小規模空間多目標交會優化方法研究;進一步受國際與國內空間軌道設計大賽的影響，開展大規模空間多目標交會優化方法研究。除了作者自身的博士論文以之為基礎外，所在課題組還有數名碩士、博士的學位論文也選擇了這個研究方向。所在課題組曾多次參加國際和全國空間軌道設計競賽并取得了優異成績。
空間多目標交會軌道設計與優化，大體上可以從數值優化方法與航天器軌道本身兩大方面開展研究，也可以從問題層級上分為目標星的選星與指派、交會任務的排序、單次交會評價三個層面，還可以從任務本身背景進一步細分。因此，本書內容分為6章。第1章是緒論，主要闡述多目標交會軌道設計問題的背景和研究現狀;第2章是基礎模型和算法，主要闡述多目標交會軌道設計問題的模型框架和基礎理論方法，包括攝動交會動力學模型、規劃問題基本概念與模型、多目標交會軌道設計與優化問題分析與建模、三類規劃算法(蟻群、遺傳、差分進化);第3章是單目標攝動交會軌道設計相關方法，其中，攝動交會軌跡優化方法包括機動受限的遠距離導引與目標調相機動規劃等，最優轉移速度增量估計方法包括基于動力學的解析估計方法和基于機器學習的估計方法;第4章關注多星補給任務，包括多航天器交會服務任務、星座補給重構任務、考慮目標配合的多航天器合作加注任務等的軌道設計與優化;第5章關注多空間碎片清除任務，包括“一對多”式碎片清除任務與“多對多”式大規模碎片清除任務的軌道設計與優化;第6章是含引力輔助的多星探測任務軌道設計與優化。
本書的編寫工作在國防科技大學空天科學學院完成，得到了國家自然科學基金、湖南省自然科學基金、載人航天工程科技創新團隊等相關科研項目的支持，主體部分以張進和朱閱訸的研究工作為主，課題組畢業的碩士趙照與博士李九天為4.3節和6.2節提供了重要支持，整體架構得到了課題組羅亞中教授的指導，在此一并表示感謝。

著者
2023年11月

第1章 緒論 1
1.1 研究背景2
1.2 研究現狀5
1.2.1 交會軌跡規劃5
1.2.2 多星交會任務規劃8
參考文獻11

第2章 基礎模型與算法 16
2.1 時間系統與坐標系17
2.1.1 時間系統17
2.1.2 坐標系19
2.2 攝動交會動力學模型21
2.2.1 地心系攝動動力學方程21
2.2.2 多引力體真實星歷模型23
2.2.3 C-W 線性相對動力學方程23
2.2.4 極坐標系相對動力學方程24
2.2.5 軌道要素差分相對動力學方程26
2.2.6 Lambert交會動力學模型30
2.3 規劃問題基本概念與模型31
2.3.1 一般規劃問題31
2.3.2 組合優化問題32
2.4 多目標交會軌道設計與優化問題分析與建模36
2.4.1 問題類型36
2.4.2 模型框架分析37
2.4.3 各層問題模型38
2.4.4 問題建模流程41
2.5 規劃算法42
2.5.1 蟻群算法42
2.5.2 遺傳算法46
2.5.3 差分進化算法51
參考文獻57

第3章 攝動交會軌道設計與分析方法 59
3.1 基于解析攝動的交會速度增量特性分析60
3.2 攝動交會最優速度增量變化規律分析64
3.3 基于機器學習的攝動交會最優速度增量估計方法67
3.3.1 估計流程68
3.3.2 數據集生成方法69
3.3.3 神經網絡模型與訓練方法70
3.3.4 算例72
3.4 機動受限的攝動交會機動規劃方法83
3.4.1 典型攝動交會任務83
3.4.2 建模分析與求解分析85
3.4.3 遠距離導引機動規劃86
3.4.4 目標調相機動規劃94
參考文獻106

第4章 多星補給任務軌道設計與優化 108
4.1 多航天器交會服務與補給問題109
4.1.1 多航天器交會服務任務109
4.1.2 星座補給重構任務110
4.1.3 多航天器合作加注任務112
4.1.4 建模分析與求解分析116
4.2 多航天器交會服務編排117
4.2.1 編排問題模型117
4.2.2 分層-混合式求解策略118
4.2.3 算例119
4.3 星座補給重構編排123
4.3.1 編排問題模型123
4.3.2 分層-混合式求解策略124
4.3.3 算例125
4.4 多航天器合作加注編排134
4.4.1 編排問題模型135
4.4.2 分層-混合式求解策略136
4.4.3 算例138
參考文獻143

第5章 多空間碎片清除任務軌道設計與優化 144
5.1 規劃問題與模型145
5.1.1 “一對多”碎片清除任務規劃模型146
5.1.2 “多對多”碎片清除任務規劃模型147
5.2 “一對多”碎片清除任務規劃方法149
5.2.1 問題特性與求解思路分析149
5.2.2 “一對多”序列規劃蟻群算法152
5.2.3 分步規劃流程159
5.2.4 算例159
5.3 “多對多”碎片清除任務規劃方法170
5.3.1 問題特性與求解思路分析170
5.3.2 “多對多”序列規劃蟻群算法171
5.3.3 “多對多”碎片清除任務總體規劃方法177
5.3.4 算例179
參考文獻185

第6章 含引力輔助的多星交會軌道設計與優化 187
6.1 引力輔助優化模型188
6.1.1 引力輔助機動分析模型188
6.1.2 引力輔助機動設計優化模型189
6.2 多小行星順訪的引力輔助序列規劃方法191
6.2.1 規劃模型192
6.2.2 算例192
6.3 高精度多引力輔助軌跡規劃方法196
6.3.1 B平面制導196
6.3.2 高精度引力輔助模型198
6.3.3 高精度多引力輔助軌跡規劃199
6.3.4 算例202

參考文獻205