近旁飞越航天器末制导方法研究

论文摘要

近旁飞越是一种新兴的天基目标观测手段,在空间对抗、在轨服务等活动中具有重要作用。精确地将航天器导引到目标器附近的近旁飞越点是关键技术之一,因此本文针对近旁飞越末制导方法进行了研究。建立了近旁飞越的运动模型。给出了航天器和目标器在惯性坐标系下的六自由度运动方程,并研究了姿态控制方法,同时列出了质量方程和相对运动计算方程,为后续的研究奠定了基础。研究了基于极大值原理的最优导引方法。首先在惯性坐标系下推导出航天器与目标器的相对运动方程,提出了综合时间和能量要求的性能指标,把近旁飞越末制导问题转化为最优控制问题。然后推导了最优推力方向和发动机工作时间的表达式,同时给出了最优导引方案。最后通过数值仿真验证了方法的有效性,并分析了各种误差以及关键参数对最优导引方法的影响。研究了基于比例导引原理的末制导方法。首先推导了视线坐标系中的相对运动,得到了视线转率与相对速度的关系。然后利用测量得到的视线信息、近旁飞越点与目标器之间的相对位置得到了航天器相对于近旁飞越点的视线转率,提出了基于此视线转率的比例导引方法。最后通过数值仿真分析了各种误差对该制导方法的影响,验证了其有效性。研究了基于标准视线转率的偏置导引方法。首先通过设计标称轨道得到一组航天器相对于目标器的标准视线转率,然后利用三次样条函数插值得到任意距离下的标准视线转率,并计算同一接近距离下测量得到的视线转率和标准视线转率的偏置量,对偏置量进行归零制导。通过仿真分析了各种误差对该制导方法的影响。本文的研究能够为近旁飞越任务末制导方法提供参考,同时对空间交会、深空探测等空间任务也有借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 近距离观测发展现状
• 1.2.2 相关制导技术发展现状
• 1.3 论文研究内容
• 第二章 近旁飞越航天器运动模型
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系及其转换
• 2.2.1 坐标系定义
• 2.2.2 坐标系间的转换
• 2.3 航天器与目标器运动方程
• 2.3.1 航天器质心运动方程
• 2.3.2 目标器质心运动方程
• 2.3.3 航天器姿态运动方程
• 2.4 姿态控制方法
• 2.4.1 相平面控制
• 2.4.2 姿态跟踪仿真
• 2.5 辅助方程
• 2.5.1 质量方程
• 2.5.2 相对运动计算方程
• 2.6 小结
• 第三章 基于极大值原理的最优导引方法
• 3.1 引言
• 3.2 问题描述
• 3.2.1 相对运动方程
• 3.2.2 性能指标
• 3.3 最优控制解算
• 3.3.1 最优推力方向
• 3.3.2 tc 的确定
• 3.3.3 方程的解
• 3.3.4 能控区域分析
• 3.4 最优导引方案
• 3.5 仿真分析
• 3.5.1 初始条件
• 3.5.2 最优控制理论仿真
• 3.5.3 最优导引仿真
• 3.6 小结
• 第四章 基于比例导引原理的末制导方法
• 4.1 引言
• 4.2 视线坐标系中的相对运动
• 4.3 基于视线转率末制导方法
• 4.3.1 近旁飞越点的视线转率解算
• 4.3.2 基于视线转率的比例导引
• 4.4 末端制导方法
• 4.5 仿真分析
• 4.5.1 仿真条件
• 4.5.2 近旁飞越末制导仿真
• 4.6 小结
• 第五章 基于标准视线转率的偏置导引方法
• 5.1 引言
• 5.2 标称轨道设计
• 5.2.1 模型描述
• 5.2.2 标称轨道设计
• 5.3 标准视线转率获取方法
• 5.3.1 偏置导引方程
• 5.3.2 样条插值函数
• 5.4 仿真分析
• 5.4.1 标称轨道设计仿真
• 5.4.2 标准视线转率获取仿真
• 5.4.3 偏置导引仿真
• 5.5 小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果