空间交会远程导引变轨任务规划

论文摘要

交会对接技术是我国载人航天工程二期需要掌握的关键技术,远程导引变轨任务规划是交会对接轨道设计与控制的关键问题之一。本文以解决远程导引轨道设计与控制问题为目的,系统研究了远程导引变轨任务事前规划、实时规划及轨道重构规划问题,主要研究成果如下:研究了考虑工程实际约束的远程导引变轨任务事前规划策略。1)根据Gauss摄动方程特性制定了特殊点变轨方案,通过对设计变量进行分组,提出了粗求解器与细求解器组合的简单迭代求解策略;2)基于近圆偏差线性方程提出了综合变轨两层规划模型,上层问题采用了并行模拟退火算法与序列二次规划算法相结合的混合求解策略,下层问题使用了基于可行域最速下降的线性迭代求解策略;3)通过将轨道圆化机动执行位置增加为设计变量,制定了修正特殊点变轨方案,并提出了两种不同的求解策略,包括非线性数值规划求解策略和基于近圆偏差线性方程非线性解的迭代求解策略。通过对摄动轨道远程导引问题的求解,测试和验证了提出的三种事前规划策略。研究了减小轨道偏差影响的远程导引变轨任务实时规划策略。1)应用试验设计方法分析了远程导引主要误差影响的敏感度,并使用近圆偏差线性方程对分析结果进行了解释;2)根据误差对终端条件的影响关系及各变轨方案的特点,制定了特殊点变轨实时规划方案并提出了简单迭代求解策略,制定了综合变轨实时规划方案并提出了线性迭代求解策略,制定了修正特殊点变轨实时规划方案并提出了基于线性迭代和非线性数值规划的求解策略;3)采用Monte Carlo仿真分析了综合变轨和修正特殊点变轨在误差影响下的终端精度。仿真结果表明根据设计的实时规划策略,两种变轨策略均可获得较高的终端精度,综合变轨终端相对位置精度与修正特殊点变轨相近,终端相对速度精度略好于修正特殊点变轨。研究了远程导引变轨故障后轨道重构规划策略。1)分析了远程导引变轨故障后轨道重构的主要约束条件,提出了轨道重构设计原则;2)对无推力方向限制的重构任务提出了基于多圈Lambert交会算法的迭代求解策略,对有推力方向限制的重构任务提出了基于相位估计的非线性数值规划求解策略。通过对一个发动机开启/关闭故障后轨道重构问题的求解,测试和验证了提出的求解策略。开发了远程导引变轨任务规划软件。根据面向对象的程序设计思想,采用标准C++语言编码,在Visual C++ 6.0环境下开发了集成论文研究成果的远程导引变轨任务规划软件。论文的研究从远程导引问题本身特性出发,根据变轨任务事前规划、实时规划和变轨故障后轨道重构规划特点,提出了系统的求解策略。论文的研究成果具有一定的理论和实践价值,在我国载人航天二期交会对接轨道方案设计中得到了较充分的应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 交会对接技术
• 1.1.2 交会对接工程实践发展概况
• 1.1.3 远程导引段
• 1.2 远程导引变轨任务规划
• 1.2.1 工程实际约束条件
• 1.2.2 变轨任务规划研究内容
• 1.3 远程导引变轨任务规划研究现状
• 1.3.1 理论研究
• 1.3.2 工程实际研究
• 1.3.3 变轨任务规划软件
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 远程导引变轨任务规划模型及规划算法
• 2.1 引言
• 2.2 动力学模型
• 2.2.1 参考坐标系
• 2.2.2 绝对轨道动力学
• 2.2.3 相对轨道动力学
• 2.3 变轨任务规划模型
• 2.3.1 设计变量
• 2.3.2 约束条件
• 2.3.3 目标函数
• 2.4 规划算法
• 2.4.1 牛顿迭代法
• 2.4.2 序列二次规划算法
• 2.5 小结
• 第三章 变轨任务事前规划
• 3.1 引言
• 3.2 特殊点变轨
• 3.2.1 变轨方案
• 3.2.2 规划模型
• 3.2.3 求解策略
• 3.2.4 仿真算例
• 3.3 综合变轨
• 3.3.1 变轨方案
• 3.3.2 规划模型
• 3.3.3 求解策略
• 3.3.4 参考轨道
• 3.3.5 仿真算例
• 3.4 修正特殊点变轨
• 3.4.1 变轨方案
• 3.4.2 规划模型
• 3.4.3 求解策略
• 3.4.4 仿真算例
• 3.5 小结
• 第四章 变轨任务实时规划
• 4.1 引言
• 4.2 主要误差因素及误差影响敏感度分析
• 4.2.1 主要误差因素及仿真模型
• 4.2.2 基于试验设计的误差影响敏感度分析
• 4.3 实时规划问题及应用过程
• 4.3.1 实时规划问题描述
• 4.3.2 实时规划应用过程
• 4.4 实时规划策略
• 4.4.1 特殊点变轨实时规划策略
• 4.4.2 综合变轨实时规划策略
• 4.4.3 修正特殊点变轨实时规划策略
• 4.5 仿真算例
• 4.5.1 问题配置
• 4.5.2 计算结果
• 4.6 小结
• 第五章 变轨故障后轨道重构规划
• 5.1 引言
• 5.2 交会变轨故障及故障后轨道类型
• 5.2.1 交会变轨故障
• 5.2.2 故障后轨道类型
• 5.3 故障后轨道重构方案设计
• 5.3.1 约束分析
• 5.3.2 方案设计原则
• 5.4 轨道重构规划求解策略
• 5.4.1 基于多圈Lambert 交会算法的迭代求解策略
• 5.4.2 基于相位估计的非线性数值规划求解策略
• 5.5 仿真算例
• 5.5.1 问题配置
• 5.5.2 计算结果
• 5.6 小结
• 第六章 远程导引变轨任务规划软件
• 6.1 引言
• 6.2 软件设计
• 6.2.1 需求分析
• 6.2.2 模块设计
• 6.2.3 核心类设计
• 6.3 软件实现
• 6.3.1 编码
• 6.3.2 测试
• 6.4 软件使用
• 6.5 小结
• 结束语
• 论文的主要研究成果
• 进一步工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果