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。
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