空间交会的轨道控制方法研究

论文摘要

空间交会技术是空间技术领域中的一项关键技术,其在载人航天、空间在轨服务和空间攻防等方面具有广泛的应用前景和重要的科学研究价值,因此国内外许多学者都进行了较深入的研究,并且取得了许多重要的理论成果。本文以空间交会技术作为研究对象,分别在以下几个方面展开研究工作:空间交会的动力学建模、模型初始状态的扰动影响分析和空间交会的制导律设计等。空间交会的动力学建模。首先总结了几种空间相对运动的描述形式,包括C-W方程、T-H方程、基于轨道要素偏差的动力学描述和状态转移矩阵描述的相对运动模型等,并分别给出了相对运动的解析表达形式,为交会制导律的设计提供了较为准确和高效的动力学模型。最后给出了只考虑到带谐调和J2项的空间轨道地球非球形摄动模型。模型初始状态的扰动影响分析。给出了自治系统和非自治系统的概念,并介绍了自治系统流的相关基础知识,同时还推导了流的容积和散度的计算方法,说明了自治系统初始状态集合随时间的推演规律,并应用上述理论,分析了C-W系统的初始状态扰动随时间的传递特性。空间交会的制导律设计。介绍了基于C-W方程解析解的二脉冲交会制导策略,其次还应用一种对引力二阶项进行部分修正后的相对运动解析表达式给出了圆参考轨道上的交会制导方法,并且该方法还对交会初始速度脉冲进行了迭代优化。最后,在椭圆参考轨道相对运动模型的基础上,研究了椭圆参考轨道的二脉冲交会制导策略。此外,本文还给出了一种空间交会的非线性制导方法。该方法应用平均轨道根数的外推法结合瞬时轨道根数和平均轨道根数的解析转换关系,建立了一种包含地球非球形J2摄动项的轨道预报方法,用以对制导的终端误差进行估计,随后给出了可以实现精确交会的初始速度脉冲的迭代优化方法。本文给出的数值仿真算例分别验证了相对运动模型和制导方法的精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.1.1 交会对接技术概况
• 1.1.2 论文研究的目的和意义
• 1.2 空间交会对接的发展概况
• 1.2.1 美国的交会对接
• 1.2.2 前苏联/俄罗斯的交会对接
• 1.2.3 西欧和日本的交会对接
• 1.2.4 自主交会对接
• 1.3 交会对接技术的研究现状
• 1.3.1 空间交会相对动力学研究
• 1.3.2 空间交会制导方法研究
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 空间交会的动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系的定义
• 2.3 相对运动的描述
• 2.3.1 C-W（Hill）方程
• 2.3.2 T-H 方程
• 2.3.3 基于轨道要素偏差的动力学描述
• 2.3.4 状态转移矩阵描述的相对运动方程
• 2.4 空间轨道的地球非球形摄动
• 2.4.1 引力场的势函数
• 2.4.2 地球非球形摄动
• 2.5 本章小结
• 第3章 模型初始状态扰动影响分析
• 3.1 引言
• 3.2 动力系统基本概念
• 3.2.1 自治系统和非自治系统
• 3.2.2 自治系统的流
• 3.3 流的容积和散度
• 3.3.1 流的容积
• 3.3.2 流的散度
• 3.4 动力学模型的初始状态扰动影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 空间交会的制导律设计
• 4.1 引言
• 4.2 C-W 交会制导律
• 4.2.1 C-W 方程的解
• 4.2.2 C-W 二脉冲制导律
• 4.3 修正引力二阶项的圆参考轨道交会制导律
• 4.3.1 相对运动误差的量级
• 4.3.2 修正二阶中心引力项误差
• 4.3.3 二脉冲交会制导律
• 4.4 椭圆参考轨道交会制导律
• 4.5 本章小结
• 第5章 空间交会的非线性制导方法
• 5.1 引言
• 5.2 轨道要素和卫星绝对信息的相互转化
• 5.2.1 轨道要素向卫星绝对信息转化
• 5.2.2 卫星绝对信息向轨道要素转化
• 5.3 基于轨道要素的轨道预报方法
• 5.3.1 平根数外推法
• 5.3.2 平根和瞬根的转换关系
• 5.4 初始速度增量的迭代优化方法
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢