空间非合作目标飞行器在轨交会控制研究

论文摘要

随着人类探索、开发和利用外层空间的深入,对交会对接技术提出了更高的要求,诸如故障航天器的在轨捕获与维修、空间垃圾清除等课题已成为航天技术发展需要面对和解决的课题,而非合作目标的交会与捕获技术是解决这些问题必需的关键技术。空间非合作目标飞行器一般泛指一类不能提供有效合作信息的空间物体,包括故障或失效卫星、空间碎片等。本学位论文针对空间非合作飞行器交会控制问题进行了深入的研究,主要研究内容包括:建立了航天器轨道动力学模型,近圆轨道相对运动模型和在视线坐标系下的相对运动模型以及基于四元素的绝对、相对动力学模型。绝对运动模型为考虑J 4项轨道摄动的精确轨道模型。近圆轨道相对运动模型为C-W方程,在忽略轨道摄动,并且追踪航天器无控制加速度的情况下可以得到相对运动的解析解。以惯性坐标系为基准的视线坐标系下相对运动模型,在相对加速度为零的情况下可以得到解析解,可以用于交会精度的分析。建立航天器间基于四元素的相对姿态运动模型。研究了几种空间交会制导方法。首先研究了基于C-W方程的双脉冲交会方法,应用遗传算法针对伴飞航天器由共面椭圆伴飞轨道不同位置出发,与中心航天器进行直接碰撞交会和软交会的燃料最优问题进行了研究,应用多元线性回归分析得到了直接碰撞最优交会问题的解析表达式。然后研究了视线制导方法,并进行数学仿真分析。研究了航天器相对姿态控制问题,给出了数学仿真结果。研究了航天器运动于偏心率较大的大椭圆轨道时,基于视线角的相对导航问题。所建立的相对导航模型,考虑了地球扁率摄动J 2项。提出了通过追踪航天器在垂直于轨道平面方向进行轨道机动,解决仅有视线角信息的相对导航系统由于缺少相对距离信息带来的可观性不足的问题,并通过数学仿真和理论分析证明了通过追踪航天器的轨道机动可以使系统可观,提高相对导航精度。研究了在轨捕获空间慢速翻滚目标的控制问题。假设追踪航天器利用短机械臂捕获目标航天器,要求追踪航天器接近并同步跟踪目标航天器的捕获目标点,首先针对质心运动控制目标设计了反馈控制律,研究了避免碰撞的燃料最优交会问题,并根据研究结果,从保证交会过程安全无碰撞和节省燃料的角度改进了反馈控制律。最后,根据所设计的改进反馈控制律,提出了相对姿态控制方案。研究了考虑工程约束情况下,单个微型航天器和微型航天器群与空间非合作目标的交会问题。研究中,假设微型航天器上的捕获装置为附着捕获装置。首先针对微型航天器的各种星载设备受限的情况,基于C-W方程,设计了空间交会初制导律,此种初制导律可节省航天器燃料消耗并为末制导提供良好的交班条件;由在视线坐标系内的相对运动方程出发,设计了自寻的末制导律,以保证足够的交会精度。然后研究了微型航天器群与非合作目标的交会问题,设计了群体编队队形,提出了队形初始化和队形保持的控制方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景、目的和意义
• 1.1.1 国外交会对接发展概况
• 1.1.2 我国载人航天技术发展概况
• 1.1.3 空间非合作交会
• 1.2 空间交会飞行阶段划分
• 1.2.1 远距离导引段
• 1.2.2 近距离导引段
• 1.2.3 平移靠拢段
• 1.2.4 对接捕获段
• 1.3 空间交会制导方法
• 1.4 空间交会相对导航方法
• 1.5 论文的主要研究内容
• 第2章 航天器相对运动模型
• 2.1 引言
• 2.2 航天器动力学模型
• 2.2.1 航天器轨道动力学模型
• 2.2.2 两航天器相对运动
• 2.3 近圆轨道相对运动模型
• 2.4 视线坐标系下的相对运动模型
• 2.4.1 视线坐标系下相对运动方程
• 2.4.2 无控情况下相对运动方程解析解
• 2.5 姿态运动模型
• 2.5.1 航天器姿态运动模型
• 2.5.2 航天器相对姿态运动模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 空间交会制导和控制方法
• 3.1 引言
• 3.2 基于C-W 方程的交会制导方法
• 3.2.1 基于C-W 方程的双脉冲交会
• 3.2.2 伴飞航天器燃料最优交会
• 3.3 视线制导方法
• 3.3.1 视线制导方法研究
• 3.3.2 仿真分析
• 3.4 航天器相对姿态控制
• 3.4.1 航天器相对姿态控制方法
• 3.4.2 仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于视线角的空间交会相对导航方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 基于视线角的相对导航
• 4.2.1 系统模型
• 4.2.2 观测模型
• 4.2.3 非线性卡尔曼滤波器
• 4.2.4 仿真算例
• 4.3 基于视线角的相对导航的可观性分析
• 4.3.1 无机动情况下的可观性分析
• 4.3.2 轨道面外机动的可观性分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 捕获空间翻滚目标控制方法研究
• 5.1 引言
• 5.2 与空间翻滚目标交会数学模型
• 5.3 捕获空间翻滚目标质心运动控制方法研究
• 5.3.1 PID 反馈控制
• 5.3.2 燃料最优控制
• 5.3.3 PID 反馈控制改进方法
• 5.3.4 仿真分析
• 5.4 捕获空间翻滚目标相对姿态控制方法研究
• 5.4.1 相对姿态控制方法
• 5.4.2 仿真分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 微型航天器与非合作目标交会附着方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 微型航天器轨道转移策略
• 6.2.1 初制导律设计
• 6.2.2 末制导律设计
• 6.2.3 仿真分析
• 6.3 微型航天器队形设计、初始化、保持与重构方法研究
• 6.3.1 微型航天器群松散队形设计
• 6.3.2 微型航天器群队形初始化与队形保持
• 6.3.3 仿真分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历