基于安全性的交会对接近程段运动控制策略研究

论文摘要

分析航天器的轨迹安全是制定轨迹策略的一项重要环节。一款合适的轨迹安全准则不仅要对轨迹安全性做出正确且合理的判定和决策,且能适应不同测量误差的情况。本文在现有轨迹安全性理论上进行了拓展研究,提出了轨迹安全问题的一系列新概念及误判率理论并将其应用于航天器在轨飞行轨迹安全问题和交会对接自主段制导问题的求解,取得了较好的效果,对我国的交会对接事业有一定的理论指导意义和工程实用价值。全文的工作如下:提出了轨迹安全问题的一系列新概念并完成了相关公式推导。(1)建立轨迹安全问题的一般模型,并引入安全集和非安全集的概念;(2)提出了主观性检验准则,将测量过程中的主观随机性与轨迹安全准则的制定关联起来,该准则可用于判定某一轨迹安全准则的合理性和正确性;(3)提出了等概率面的定义,该定义可用于研究碰撞概率准则下的安全集和非安全集在空间中的传播规律。提出了误判率的概念。(1)论文借由概率冲淡问题引出了误判率的概念,从对真实运动测量判断的全过程视角出发,研究安全准则的误判问题;(2)研究了利用碰撞概率准则判定轨迹安全性时的误判率,建立了误判率与规避预警门限的显式关系;(3)建立了利用误判率修正安全准则的基本流程。研究了空间碎片的规避策略。(1)通过统计并对比安全距离范围内的空间碎片年均流量,分析了不同轨道高度的轨迹安全性,并借由误判率的概念给出了安全距离的制定方法;(2)进行单一相遇事件的轨迹安全性分析,结合碰撞概率的方法给出了对于单次相遇事件的规避机动策略。在误判率的基础上研究了考虑轨迹安全性的自主段控制策略。(1)结合交会对接自主段的特性推导了低速相对运动条件下规避机动冲量的显式表达式,该表达式的精度与精确数值计算的精度非常接近且计算效率很高;(2)建立了基于多脉冲变轨和显式表达式的安全轨迹设计方法,并给出了寻的段和接近段飞行轨迹的初步设计方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.1.1 交会对接概述
• 1.1.2 交会对接中航天器轨迹安全问题概述
• 1.2 论文研究的意义和目的
• 1.2.1 研究考虑安全性的交会对接运动控制的意义
• 1.2.2 论文研究的目的
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 近程段运动控制研究现状
• 1.3.2 安全性分析方法研究现状
• 1.4 论文研究内容及创新点
• 1.4.1 论文研究内容
• 1.4.2 论文创新点
• 第二章 近程段运动控制及轨迹安全理论基础
• 2.1 动力学建模
• 2.1.1 坐标系定义
• 2.1.2 相对运动方程
• 2.1.3 相对运动特性分析
• 2.2 近程段运动控制策略
• 2.2.1 CW 制导
• 2.2.2 高精度模型修正下的CW 制导
• 2.2.3 指数减速制导
• 2.3 基于碰撞概率的轨迹安全性分析
• 2.3.1 碰撞概率思想
• 2.3.2 碰撞概率计算
• 2.3.3 碰撞概率准则
• 2.4 小结
• 第三章 基于误判率的轨迹安全策略
• 3.1 引言
• 3.2 主观性检验问题
• 3.2.1 轨迹安全问题的安全集和非安全集
• 3.2.2 主观性检验准则
• 3.3 等概率面的提出
• 3.3.1 等概率面的定义
• 3.3.2 等概率面模型的简化与计算
• 3.3.3 概率积分与中心概率密度的关系
• 3.4 误判率的提出
• 3.4.1 误判率的定义和基本思想
• 3.4.2 高速相遇条件下的误判率
• 3.4.3 低速相遇条件下的误判率
• 3.4.4 误判率的应用
• 3.5 小结
• 第四章 空间碎片规避策略
• 4.1 问题的提出
• 4.1.1 问题的描述与模型
• 4.1.2 参数设定
• 4.1.3 问题的简化假设
• 4.2 安全性分析方法
• 4.2.1 统计安全区域内碎片流量的方法
• 4.2.2 单一碎片相遇的碰撞概率方法
• 4.3 碎片规避轨道的确定
• 4.3.1 向碰撞概率梯度负方向的变轨策略
• 4.3.2 算例
• 4.4 本章小结
• 第五章 考虑轨迹安全的自主段控制策略
• 5.1 问题的提出
• 5.1.1 问题的描述
• 5.1.2 参数设定
• 5.1.3 轨迹安全性约束
• 5.2 规避机动冲量显式计算方法
• 5.2.1 计算思想
• 5.2.2 最大碰撞概率发生时间
• 5.2.3 规避机动冲量方向的确定
• 5.2.4 规避机动冲量大小的确定
• 5.2.5 误判率修正下的机动冲量确定方法
• 5.2.6 算例
• 5.3 基于多脉冲变轨和显式表达式的安全轨迹设计方法
• 5.3.1 基于安全性的多脉冲变轨方法
• 5.3.2 寻的段安全轨迹设计
• 5.3.3 接近段安全轨迹设计
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果