高扬  男  博士生导师
中国科学院空间应用工程与技术中心,研究员
中国科学院大学航空宇航学院,动力学与控制教研室,岗位教师(2020.1-2022.12) 

电子邮件:gaoyang@csu.ac.cn
通信地址:北京市海淀区邓庄南路9号,空间应用中心主楼南910
邮政编码:100094
2000-08--2003-12   美国密苏里大学哥伦比亚校区 ,机械与宇航工程系动力学与控制, 博士
1997-09--2000-07   中国科学院,遥感卫星地面站(现为空天信息创新研究院),遥感系统与图像处理,硕士
1993-09--1997-07   北京航空航天大学,自动控制系飞行控制, 学士
拟招收1-2名2022年9月入学的博士/硕士研究生。博士招生专业与方向:计算机应用技术 1. 飞行器设计技术 


个人简介:高扬,197411月生,1993年、1997年分别在北京航空航天大学、中国科学院获得学士和硕士学位,20008月进入美国密苏里大学(哥伦比亚校区)学习,200312月获得航天工程博士学位,随后在本校开展了为期一年的博士后研究,20056月回国进入中国科学院工作,现任中国科学院空间应用工程与技术中心研究员、博士生导师、空间探索技术研究室主任。高扬研究员长期从事航天动力学、导航与控制学科应用基础研究,曾受到国家自然科学基金青年和面上项目、863及重点研发项目、中科院重点部署项目等支持,已发表学术期刊论文40余篇。高扬研究员参与了我国载人航天工程任务,负责实施了我国天宫二号空间实验室(2016.9-2019.9在轨)综合精密定轨专项,实现了低轨大型载人航天器厘米级精密定轨和高精度轨道预报,目前任载人航天工程轨道专家组成员。所取得的预先研究和工程研制成果获得省部级科技进步奖(2017年一等一项、2019年二等一项)。高扬研究员是中国力学学会全国空间轨道设计竞赛(2009-至今)的主要组织和推动者,2021年与清华大学李俊峰教授、国防科技大学罗亚中教授共同编著出版了《纪念全国空间轨道设计竞赛十周年》一书,2017年参与创办了我国航天领域首份国际英文期刊《Astrodynamics》并与清华大学宝音贺西教授担任首届共同主编。自2018年起,高扬研究员兼任中国科学院大学岗位教师、航空宇航学院动力学与控制教研室主任,负责航天动力学与控制学科的课程组织和研究生教学,开设了以航天动力学与太空探索任务为主线的《现代太空飞行概论》课程。近5年来,高扬研究员重点开展了地月空间探索与利用的预先研究和关键技术攻关,致力于论证和推动该领域新型航天任务的工程立项和实施。



研究要闻

  • Liu J, Wang W, Zhang H, Shu L, Gao Y. Autonomous orbit determination and timekeeping in lunar distant retrograde orbits by observing X-ray pulsars. NAVIGATION. 2021;68:687–708. https://doi.org/10.1002/navi.451 一文刊出,本文对脉冲星导航与地月空间DRO轨道相关联,揭示了DRO轨道稳定性有利于显著提升脉冲星导航精度。

研究方向

  • 空间探索任务设计轨道优化 

主要依托国家自然科学基金项目以及预先研究项目,在空间探索任务分析与设计方面开展前沿探索。考虑多天体引力场的轨道设计研究内容极其丰富,不仅是数学知识应用的集中体现,也是带动空间探索任务总体论证的重要技术。载人航天与无人深空探测都是国家未来可能立项的重大工程,未来5 年将重点关注月球探测、行星与小天体、木星系统探测的航天器飞行轨道设计与优化。


  • 航天器精密轨道确定与自主导航技术

依托空间实验室应用任务项目,发展航天器精密定轨方法的系统研究,开发精密定轨软件,掌握航天器定轨、导航与授时技术。航天器精密定轨技术应用广泛,与其直接联系的重要问题是天体引力场探测与系统参数估计,天体引力场探测是空间探索的基本问题,系统参数估计则涉及非常广泛的飞行器或有效载荷的空间应用任务,涵盖微重力、测地学、广义相对论等科学领域。


  • 广义空间相对运动的动力学与控制

广义空间相对运动泛指空间任意范围多个在轨物体之间的相对运动,包括飞行器之间相对运动,如大范围分布的卫星星座、中等范围分布的卫星编队,也包括航天器与有效载荷之间微小范围相对运动,如空间微重力平台等可活动设施。依托高技术科研项目,对于微重力环境中有效载荷运动的动力学与控制、未来航天器空间博弈等问题开展关键技术攻关与前瞻研究。

科研项目

在研项目

  • 地月空间开发与利用,3000万,2019.1-2021.12,中科院重点部署项目,项目负责人 
  • 国家重点研发计划项目子课题,183万,项目负责人 

结题项目

  • 轻量化样品返回舱技术(小天体采样返回任务),350万,2018.6-2021.6,中科院空间科学先导专项小天体采样返回子课题,项目负责人 
  • 脉冲星导航技术,220万,2017.1-2019.12,项目负责人
  • 中国载人航天工程应用任务项目:××××综合精密定轨专项,2011.4- 2019.4,项目负责人
  • 载人航天预先研究项目,近地小行星XXX,30万,2015.7-2017.12,项目负责人
  • 地月系统卫星编队及其应用,中国科学院空间科学研究院培育项目,2015.8-2017.7,97万,项目负责人。
  • 国家自然科学基金面上项目:伽利略木卫探测飞行轨道设计与优化,2014.1-2016.12,80万,项目负责人。
  • 国家863计划项目:××××轨道设计与控制技术,2012.6-2016.6 ,项目负责人。
  • 宇航动力学国家重点实验室开放基金项目:限制性N体问题周期轨道延拓理论与方法探索研究,2014.1-2015.12,10万,项目负责人。
  • 中国科学院国防创新基金项目:利用××××××的卫星编队与队形重构技术研究,2010.1~2011.12,30万,项目负责人。
  • 中国科学院光电研究院院长基金项目:天基非合作目标自主接近策略研究,2006.10-2008.10,30万,项目负责人。
  • 国家自然科学青年基金项目:利用Halo轨道流形设计小推力深空飞行最优转移轨道,2007.1-2009.12,36万,项目负责人。
  • 中国科学院国防创新基金项目:利用××××进行轨道控制的带电卫星,2007.1-2008.12,20万,项目负责人。
  • 国家863计划项目子课题:某载荷的卫星平台需求分析和热控方案,2007.10-2010.6,35万,子课题负责人。
  • 中国科学院知识创新工程重大项目子课题:高轨电推进卫星的轨道姿态控制,2010.1~2011.6,65万,子课题负责人。


获得奖励

  • 2008年度中国科学院卢嘉锡青年人才奖 
  • 2012年入选中国科学院青年创新促进会
  • 2017年度XX科技进步一等奖
  • 2019年度XX科技进步二等奖

研究生培养

毕业研究生


2021年5月

  • 马剑,博士研究生,论文:地月空间连续小推力转移轨道设计与优化

摘要:地月空间的轨道转移任务需求多样,既有近地/近月空间的转移交会,也涉及地月转移以及拉格朗日点附近目标轨道转移。当航天器在地月空间飞行时,受力情况复杂,利用电推进的小推力转移轨道形式多样、设计难度大,目前还未形成通用且成熟的轨道设计与优化方法。本文以此为背景开展地月空间小推力转移轨道设计与优化的深入研究,首先将地月空间分为近地/近月空间、地月转移空间以及地月系统引力边界三部分,分别建立近地/近月二体摄动模型、仅考虑地月引力的圆型限制性三体模型、同时考虑日地月引力的限制性四体模型,并将它们与小推力转移轨道最优控制问题写为形式统一的数学表达式。在此基础上,主要针对两大类小推力转移轨道设计与优化问题开展了研究工作:(1)求解近地空间小推力多圈转移与交会轨道(近月空间方法类似)。考虑地影无推力,非球形及第三体引力等摄动因素,采用轨道平均方法,进一步改进和完善了平均轨道根数动力学建模、优化问题构建及求解方法,主要包括引入平均化赤经角差微分方程、蒙特卡洛协态变量初值猜测、协态变量插值优化法等,并依据平均轨道根数的优化设计结果给出了瞬时轨道根数制导律。求解了一系列轨道交会、轨道转移、远地点高度抬升的设计算例,并评估了平均轨道根数轨道解与瞬时根数轨道解的末端误差。当轨道平均方法近似条件不再成立,该方法则不再适用,因而无法直接求解地月转移轨道以及进入拉格朗日点附近空间的转移轨道。(2)求解从初始环地轨道(以GTO为例)或环月轨道(以LLO为例)向地月系拉格朗日点附近目标轨道的转移轨道。基于双圆限制性四体模型,分析了L1/L2穿越轨道、DRO单脉冲轨道、halo不变流形向环地/环月空间的转移特性,通过施加辅助脉冲机动形成受控捕获轨道;接着提出了过渡轨道设计概念,将整条转移轨道求解分为三个步骤:大量圈数形式的初始环地轨道向过渡轨道的转移问题,采用(1)中的方法求解;少量圈数形式的过渡轨道向受控捕获轨道(从而转移至目标轨道)的转移问题,采用圆型限制性三体模型求解;辅助脉冲机动在限制性四体模型下逐个转化为连续小推力。过渡轨道一方面需要满足轨道平均方法近似条件,一方面需要优选以实现优化的“过渡”能力。简而言之,本文基于小推力轨道优化现有研究成果,提出了一种地月空间小推力轨道的设计思路,该思路的内涵可总结为四点:1)平均轨道动力学用于建模和求解近地/近月空间大量圈数的小推力轨道,2)受控捕获轨道概念将混沌性强的拉格朗日点附近目标轨道转换为混沌性弱的环地/环月目标轨道,3)过渡轨道概念用于将平均轨道设计结果与瞬时轨道设计结果实现准确拼接,4)辅助机动速度增量采取局部直接优化转换为连续小推力以保证迭代收敛性。在上述设计思路的指导下,形成了一套实用的地月空间小推力轨道设计与优化方法,能够求解地月空间各类轨道之间的小推力轨道设计问题,同时归纳了值得进一步开展的研究工作。
  • 彭超,博士研究生,论文:地月空间低能转移轨道全局设计与并行计算

摘要:本研究主要关注三类地月空间轨道DRO(Distant Retrograde Orbit,远距逆行轨道)、IGSO(Inclined Geo-Synchronous Orbit,倾斜地球同步轨道)、PLO (Polar Lunar Orbit,月球极轨)低能进入的脉冲机动转移轨道设计问题,重点研究了利用日、月引力辅助实现低能转移轨道的全局设计问题,包括设计思路和计算方法,力求在特定的CPU/GPU并行计算资源条件下寻找更多数量的低能转移轨道解,得到转移时间(重点关注100天以内)和燃料消耗(以所需总速度增量表示)帕累托前沿。研究内容主要分为三个部分(也是三个步骤):1)采用双圆拼接平面限制性四体模型(假定日、地、月、航天器均处于同一平面),考虑多达三次月球引力辅助与类WSB(Weak Stability Boundary,弱稳定性边界)转移策略,以LFO(Lunar Free-return Orbit,地月自由往返轨道)至DRO为例,通过构建近月轨道数据库与轨道拼接方法,充分利用CPU/GPU并行计算优势,得到了借助日、月引力辅助的数百万轨道解,构建了白道面(月球绕地球公转轨道面)内低能转移轨道基本飞行模式;2)考虑航天器从非白道面内且近地点位置矢量任意指向的GTO(Geo-Stationary Transfer Orbit,地球同步转移轨道)或深空返回轨道出发(仍假设日、地、月处于同一平面),设计了基于近地点、类WSB远地点、近月点的轨道机动策略,用于低能消除白道面外轨道运动,将飞行轨道转移至白道面内,然后利用第一步的设计结果得到进入DRO的低能转移轨道解;3)基于进入DRO的低能转移轨道解,通过局部改进月球借力机动方案,即可得到从GTO出发的进入IGSO、PLO的低能转移轨道解。本文利用日、月引力辅助的设计思路可总结为:日月借力白道面内低能转移、太阳借力和远地点机动低能抵近月球、月球借力消除白道面外轨道运动或进入大倾角环地/环月目标轨道;计算方法可归结为:基于CPU/GPU并行计算的蒙特卡洛近月轨道全局搜索、构建海量近月/远地轨道数据库及海量近月轨道拼接。这一设计思路和计算方法能够求解出大量LFO-DRO、GTO/深空返回-DRO、GTO-IGSO/PLO低能轨道解,形成明显的转移时间和燃料消耗帕累托前沿,一方面为地月空间飞行任务提供了转移轨道设计总体方案,另一方面帮助我们进一步深入认识和理解低能转移轨道的飞行机理。

发表论著

著作

  • 李俊峰,罗亚中,高扬,纪念全国空间轨道设计竞赛十周年,科学出版社,2021年9月。


期刊论文

2021-2025

  • Peng C. Zhang, H. Gao Y. Exploring more solutions for low-energy transfers to lunar distant retrograde orbits, Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, accepted.
  • Liu J, Wang W, Zhang H, Shu L, Gao Y. Autonomous orbit determination and timekeeping in lunar distant retrograde orbits by observing X-ray pulsars. Navigation, 2021, 68: 687-708.
  • Yang, C.H. Zhang, H. Gao, Y. Analysis of a neural-network-based adaptive controller for deep-space formation flying, Advances in Space Research, 2021, 68(1): 54-70.

2016-2020

  • Lin Y, Zhang Y, Hu S, Xu Y, Zhou W, Li S, Yang W, Gao Y, Li M, Yin Q, Lin D, and Wing I. Concepts of the Small Body Sample Return Missions - the 1st 10 Million Year Evolution of the Solar System[J]. Space Science Reviews, 2020, 216:45.
  • Wen, T.  Zeng, X. Circi,  C. Gao, Y. Hop Reachable Domain on Irregularly Shaped Asteroids. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2020, 43:7, 1269–1283.
  • Zhu, X. Zhang, H. Gao, Y. Correlations between the scaling factor and fitness values in differential evolution, IEEE Access, 2020, 8, 32100-32120.
  • Wang, W.  Shu, L.  Liu, J.  Gao, Y. Joint navigation performance of distant retrograde orbits and cislunar orbits via LiAISON considering dynamic and clock model errors, Navigation, 2019, 66(4): 781-802.
  • Wen C , Gao Y , Shi H . Three-dimensional relative reachable domain with initial state uncertainty in Gaussian distribution, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G Journal of Aerospace Engineering, 2019, 233(5):1555-1570.
  • Meng Y, Zhang H. Gao Y. Low-Thrust Minimum-Fuel Trajectory Optimization Using Multiple Shooting Augmented by Analytical Derivatives. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2019, 42(3), 662-677.
  • Wen C, Chao P, Gao Y. Reachable domain for spacecraft with ellipsoidal Delta-V distribution[J]. Astrodynamics, 2018, 2: 265-288.
  • Li, K. , Zhou, X. , Wang, W. , Gao, Y. , Zhao, G. , & Tao, E. , et al. Centimeter-level orbit determination for tg02 spacelab using onboard gnss data. Sensors, 2018, 18, 2671; doi:10.3390/s18082671.
  • Liu, W. Gao, Y. Dong, W. Li, Z. Flight Test Results of the Microgravity Active Vibration Isolation System in China's Tianzhou-1 Mission. Microgravity Science and Technology, 2018, 30(6), 995–1009.
  • 彭超、温昶煊、高扬. 地月空间DRO与HEO(3∶1/2∶1)共振轨道延拓求解及其稳定性分析,载人航天,2018, 24(6):703-718.
  • 王彗木、刘伟、高扬. 绳网飞行器+绳系机械爪”捕获近地小行星的新概念方案载人航天,2018,24(4):470-478.
  • 马剑、孟雅哲、朱小龙、何胜茂、高扬,特定区域密集观测的低轨卫星星座最优设计方法中国科学-技术科学,2018,048(002), 170-184.
  • 朱政帆、高扬、空间小推力轨道最优Bang_Bang控制的两类延拓解法综述,深空探测学报,2017,4(2): 101-110.
  • Peng, C. Gao, Y.  Formation-Flying Planar Periodic Orbits in the Presence of Inter-satellite Lorentz Force, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2017, 53(3): 1412-1430.
  • Zhu, Z. Gan, Q. Yang, X. Gao, Y. Solving Fuel-Optimal Low-Thrust Orbital Transfers with Bang-Bang Control Using a Novel Continuation Technique, Acta Astronautica, 2017,137: 98-133.
  • He,S. Zhu, Z.Peng C. Ma, J. Zhu, X. Gao, Y, Optimal design of near-Earth asteroid sample-return trajectories in the Sun-Earth-Moon system, Acta Mechanica Sinica, 2016, 28(5): 1466-1478.

2011-2015

  • 王文彬、高扬,精密定轨中三类经验加速度的有效建模方法,宇航学报,Vol.36, No.12,2015, pp. 755-762.
  • 朱小龙、刘迎春、高扬,航天器最优受控绕飞轨迹推力幅值延拓设计方法,力学学报,Vol.46, No.5, 2014, pp.756-769.
  • Gao, Y., Analysis of the Earth co-orbital motion of Chang’e-2 after asteroid flyby, Chinese Science Bulletin, Vol. 59, No. 17, 2014. pp.2045-2049.
  • Gao, Y., Near-Earth Asteroid Flyby Trajectories from the Sun-Earth L2 for Chang’e-2’s Extended Flight. Acta Mechanica Sinica. Vol. 29, No.1, 2013, pp.123-131.
  • Gao, Y., Li, H., He, S. First-round Design of Flight Scenario for Chang’e-2’s Extended Mission: Taking Off from Lunar Orbit. Acta Mechanica Sinica, Vol.28, No.5, 2012. pp.1466-1478.
  • 彭超、高扬,近圆参考轨道卫星编队洛仑兹力控制,《力学学报》,V44(5), 851-860, 2012.(入选庆祝《力学学报》创刊55周年专栏)
  • 何胜茂、谭高威、高扬,第三届深空轨道设计竞赛冠军团队方法与结果,《力学与实践》,Vol.34, No.3, 2012. pp.95-101.
  • Peng, C., Gao, Y., Lorentz-Force-Perturbed Orbits with Application to J2-Invariant Formation. Acta Astronautica, Vol.77, 2012, pp.12-28.
  • 高扬,电火箭星际航行:技术进展、轨道设计与综合优化,《力学学报》,Vol.43, No.6, 2011. pp. 991-1019.(纪念力学学报首任主编钱学森诞辰100周年专栏约稿)

2006-2010

  • Gao, Y., Li. X., Optimization of Low-Thrust Many-Revolution Transfers and Lyapunov-based Guidance, Acta Astronautica, Vol.66, Nos.1~2, 2010, pp.117-129.
  • Gao, Y., Linear Feedback Guidance for Low-Thrust Many-Revolution Earth-Orbit Transfers, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol.46, No. 6, 2009, pp. 1320-1325.
  • Gao, Y., Li, W., Systematic Direct Approach for Optimizing Continuous-Thrust Earth-Orbit Transfers, Chinese Journal of Aeronautics, Vol.29, No. 1, 2009, pp.56-69.
  • Gao, Y., Direct Optimization of Low-Thrust Many-Revolution Orbital Transfers, Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 22, No. 4, pp. 426-433, 2009.
  • Gao, Y., Low-Thrust Nonlinear Guidance by Tracking Mean Orbital Elements, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol.31, No.4, 2008, pp. 1103-1110.
  • Gao, Y., Near-Optimal Very Low-Thrust Earth-Orbit Transfers and Guidance Schemes, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol.30, No.2, 2007, pp.529-539.
  • Gao, Y., Low-Thrust Interplanetary Transfers Including Escape and Capture Trajectories, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol.30, No.6, 2007, pp. 1814-1818.
  • Gao, Y., Earth-Moon Trajectory Optimization Using Solar Electric Propulsion, Chinese Journal of Aeronautics, Vol.20, No.5, 2007, pp.452-463.
2001-2005
  • Gao, Y., Kluever, C. A., Engine-Switching Strategies for Interplanetary Solar Electric Propulsion Spacecraft, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol.42, No.4, 2005, 765-767.
  • Gao, Y., Kluever, C. A., Analytic Orbital Averaging Technique for Computing Tangential-Thrust Trajectories, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 28, No.6, 2005, pp.1320-1323.
  • Gao, Y., Kluever, C. A., Low-Thrust Guidance Scheme for Earth-Capture Trajectories, Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol.28, No.2, 2005, pp.333-342.

空间轨道设计

  • 获得2009年第1届全国深空轨道设计竞赛冠军
  • 获得2011年第3届全国深空轨道设计竞赛冠军
  • 作为主要负责人组织举办了2010年第2届全国深空轨道设计竞赛
  • 作为主要负责人组织举办了2012年第4届全国空间轨道设计竞赛 
  • 研究团队获得GTOC6(2012年)第6届国际全局轨道优化竞赛第5名
  • 获得2013年第5届全国深空轨道设计竞赛冠军(3团队并列)
  • 研究团队获得GTOC7(2014年)第7届国际全局轨道优化竞赛第4名
  • 研究团队获得2014年第6届全国空间轨道设计竞赛甲组冠军
  • 研究团队获得2020年第11届全国空间轨道设计竞赛
  • 组织举办了2021年第12届全国深空轨道设计竞赛