空间飞行器轨道转移与绕飞轨迹设计与优化

论文摘要

随着我国航天事业的蓬勃发展,航天任务的多样性更加突出,在之前发射的航天器中已完成绕地轨道到绕月轨道的机动。下一步,即将发射的“天宫一号”将试验交会对接技术。从自主接近与逼近到交会对接是一个复杂的过程,涉及了系统建模与分析、两星或多星相对运动、自主相对导航算法、自主接近与逼近算法、最终段轨迹规划与优化等内容。针对上述问题,本文对以下内容做了深入研究。针对追踪航天器相对目标航天器的轨道机动问题,首先给出了两星相对动力学模型,在假设目标星运行轨道为圆轨道,两星相对距离较目标星地心距小和不考虑摄动影响时,得到满足中短段轨道转移精度要求的动力学模型,机动中产生的额外累积误差靠速度补偿机制消除。研究了以C-W方程为基础的大距离机动、多脉冲机动、斜面机动算法和势能函数机动算法,针对追踪航天器在不同机动段的实际任务需求,本文给出轨道转移算法的机动切换策略,即在中段采用大距离的轨道机动方法,到达切换点后,将其自动切换为势能函数机动算法,最后给出了仿真结果。针对空间飞行器实际携带燃料有限的情况,采用最优化方法求取能耗最优的转移轨迹。本文以末值状态,转移时间和能耗指标等作为约束条件,给出了最优能耗转移轨道的设计方法,得到基于连续速度脉冲机动的转移轨道,减小了轨道转移过程中的能量消耗。针对实际航天任务中,连续脉冲机动应用受限,本文给出非线性规划方法,优化出最优能耗的相邻速度脉冲点的时间间隔,最后给出了仿真结果并与前面的多脉冲机动作了对比分析。针对追踪航天器相对目标航天器的自然绕飞轨迹捕获问题,本文根据自然绕飞轨迹的初始速度约束要求,给出了追踪航天器进入伴飞点后的速度补偿方法和进入点位置的最优选择机制。针对两星编队构型与重构问题,本文给出了菱形编队,花型编队和正方形编队的构型设计方法。针对两星绕飞轨迹的构型保持和升降轨动作,本文给出了最优能耗三脉冲轨道机动策略,利用最优二次型理论设计了闭环控制律,分析了存在常值干扰下的控制器设计方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 两星相对运动模型描述的国内外现状
• 1.2.2 空间飞行器轨道转移与优化的国内外现状
• 1.2.3 两星编队构型建立与重构国内外现状
• 1.3 本文的研究内容和结构安排
• 第2章 空间飞行器轨道设计的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 两星相对运动数学模型建模
• 2.2.1 常用坐标系定义
• 2.2.2 相对动力学建模
• 2.3 最优化转移轨道的设计方法
• 2.4 求解最优二次型问题的理论基础
• 2.4.1 连续最优二次型问题
• 2.4.2 离散最优二次型问题
• 2.5 李雅普诺夫控制法的理论基础
• 2.6 本章小结
• 第3章 空间飞行器轨道转移逼近与离开策略
• 3.1 引言
• 3.2 空间飞行器轨道机动算法研究
• 3.2.1 两脉冲机动
• 3.2.2 等时间间隔多脉冲机动
• 3.2.3 斜面机动算法
• 3.2.4 势能函数机动法
• 3.2.5 仿真分析
• 3.3 轨道机动切换策略
• 3.3.1 近距离轨道逼近切换策略
• 3.3.2 仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 最优能耗转移轨迹设计与优化
• 4.1 引言
• 4.2 最优能耗轨迹设计
• 4.2.1 问题描述
• 4.2.2 能耗最优转移轨迹设计方法
• 4.2.3 仿真分析
• 4.3 最优能耗转移轨迹的非线性规划
• 4.3.1 问题描述
• 4.3.2 规划模型与求解方法
• 4.3.3 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 空间飞行器绕飞轨迹设计及优化
• 5.1 引言
• 5.2 自然绕飞轨迹初始条件设定
• 5.3 两星编队构型设计
• 5.3.1 问题描述
• 5.3.2 两星面内编队构型生成策略
• 5.3.3 仿真分析
• 5.4 两星相对升降轨机动策略
• 5.4.1 问题描述
• 5.4.2 升降轨能耗最优机动策略
• 5.4.3 升降轨闭环机动策略
• 5.4.4 仿真分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢