地球同步轨道目标抵近方法和相对轨道确定技术研究

论文摘要

地球同步轨道是人类开发和利用空间资源的一类重要轨道,是极其珍贵的轨道资源,位于该轨道的航天器在通信、导航、预警、气象等民用和军用领域发挥着极其重要的作用。由于地球同步轨道上运行的航天器数量逐年递增,且功能难以替代,地球同步轨道目标成为了空间在轨服务的重点服务对象。空间在轨服务技术体系庞大,本文重点研究了对地球同步轨道目标的抵近策略和目标相对轨道确定技术,讨论了机动飞行器对地球同步轨道目标抵近的轨道设计方法和实施途径,设计了用于相对轨道确定的实时解算体系。全文的工作主要包括以下几个方面的内容:对机动飞行器抵近地球同步轨道目标的方法进行了研究。重点针对倾斜地球同步轨道,机动飞行器停泊于零度倾角圆轨道上,在目标轨道升/降交点附近实现对目标接近。以燃料最省为优化目标,以任务周期为约束条件,研究机动飞行器接近目标的最优路径。对机动飞行器对地球同步轨道目标的服务范围进行了仿真分析。分析了停泊轨道设计和燃耗的需求关系,对优化目标函数进行简化,分析了不同任务周期下对任意地球同步轨道目标抵近的燃耗需求分布。对快速精确实现地球同步轨道目标相对轨道确定的方法进行了研究。通过建立适用于椭圆轨道的相对运动方程、基于恒星背景的绝对信息测量方案,结合批处理算法和序贯处理算法,建立了具有较好鲁棒性的实时解算体系。最后,对影响估值精度的各因素进行分析。对于相对初值预估系统,分析了迭代次数和观测数据组数的选取对初值估计精度的影响;对于相对轨道递推估计系统,分析了采样策略、测量精度对相对轨道状态实时估计精度的影响,所得结论为工程应用提供技术指导。空间目标的抵近和相对轨道确定是开展空间在轨服务的前提,本文工作对地球同步轨道目标在轨服务技术的工程应用提供了参考。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外相关研究现状
• 1.2.1 空间交会技术研究现状
• 1.2.2 相对导航技术研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 抵近策略规划
• 2.1 抵近方案设计
• 2.1.1 目标轨道特点
• 2.1.2 变轨方案
• 2.1.3 坐标系定义
• 2.2 轨道转移数学模型
• 2.2.1 两冲量轨道转移模型
• 2.2.2 模型参数计算
• 2.2.3 优化目标函数
• 2.3 优化算法
• 2.3.1 约束处理方法
• 2.3.2 遗传算法
• 2.3.3 模式搜索算法
• 2.4 仿真计算与分析
• 2.5 结论
• 第3章 抵近地球同步轨道目标仿真分析
• 3.1 停泊轨道设计分析
• 3.1.1 燃料需求约束
• 3.1.2 调相能力约束
• 3.2 单变量优化目标函数
• 3.2.1 约束条件
• 3.2.2 单变量目标函数
• 3.3 变轨能量需求仿真分析
• 3.3.1 不同轨道高度下能量需求
• 3.3.2 不同任务周期下能量需求
• 3.4 结论
• 第4章 相对轨道实时解算体系的构建
• 4.1 滤波算法
• 4.1.1 轨道确定原理
• 4.1.2 最小二乘估计
• 4.1.3 扩展卡尔曼滤波
• 4.1.4 无味卡尔曼滤波
• 4.2 状态方程
• 4.2.1 二体模型下的精确相对运动方程
• 4.2.2 Hill 方程
• 4.2.3 Yamanaka 相对运动方程
• 4.2.4 算例与精度分析
• 4.3 观测方案
• 4.3.1 相对信息观测方案
• 4.3.2 绝对信息观测方案
• 4.3.3 观测方案能观性分析
• 4.3.4 小结
• 4.4 实时解算体系构建
• 4.4.1 相对轨道初值估计
• 4.4.2 相对轨道递推估计
• 4.5 仿真与分析
• 4.6 结论
• 第5章 相对轨道实时解算精度仿真分析
• 5.1 主要影响因素
• 5.2 解算体系参数初步设置
• 5.2.1 参数设置
• 5.2.2 仿真工况及初值分布
• 5.3 相对轨道初步估计精度分析
• 5.3.1 观测数据组数对初值估计精度的影响
• 5.3.2 最大迭代次数对初值估计精度的影响
• 5.4 测量对状态估计精度的影响
• 5.4.1 采样策略对解算精度影响
• 5.4.2 测距精度对解算精度影响
• 5.4.3 测角精度对解算精度影响
• 5.5 结论
• 第6章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得成果