空间交会V—bar接近冲量机动运动分析

从相对运动与绝对运动两方面全面阐述空间交会V—bar接近冲量机动变轨的运动规律。交会接近段的起点与终点为绝对运动转移轨道通径的两个端点，转移轨道半长轴略大于机动变轨前的轨道半径，转移轨道偏心率以及追踪星对目标星缩减的地心角取决于径向速度增量，并给出视界角设计方法。     

航天器交会远程快速自主制导方法

针对近地近圆轨道航天器交会任务,设计了基于经典轨道要素的远程快速自主制导算法.对于任意初始纬度幅角偏差的远程导引,通过建立纬度幅角偏差与半长轴偏差的关系,将远程导引段分为初始轨道飞行、调相轨道飞行和调整轨道飞行3个阶段.初始轨道飞行进行轨道共面修正和调相机动;在调相轨道飞行期间,进行自然调相以及调相轨道到调整轨道的机动;调整轨道飞行阶段进行追踪航天器的远地点高度和近地点高度的修正,以及再次共面修正.所有变轨机动都以制导脉冲的形式给出,并都在轨道特殊点执行.精确轨道仿真验证了远程快速自主接近制导算法的可行性.     

航天器交会绝对导航向相对导航过渡阶段的分析与设计

对航天器交会寻的段不同的机动模式,考虑相对导航最远联络距离、最晚联络开始时间以及最早轨道圆化机动时间等约束条件,阐述绝对导航向相对导航的过渡阶段(即介于调相段与寻的段之间的漂移段)的设计问题,包括漂移段终点与相对导航联络点位置的确定以及漂移段起点位置偏差分析,建立了漂移段起点标称位置与调相段机动速度偏差的关系式,给出漂移段起点标称位置范围及调整方法。     

连续常值推力机动分析与应用

连续常值推力机动是空间飞行常用的轨道机动方式。其中,小推力适合于地球轨道航天器交会机动,而切向或周向推力以及较大的正径向推力可用于脱离地球引力场的逃逸飞行,执行星际交会使命。应用常推力作用下的质心运动方程,对机动推力的量值没有限制;在航天器交会应用中,对相对距离也无要求。这种方法可直接获得向径、轨道速度等参数随时间或极角(绕地心的转动角)的变化,便于分析轨道转移与逃逸运动,有助于飞行使命与运动轨迹的设计。特别是,若机动转移的初轨为圆轨道,在推力较小、飞行时间不长的情况下,应用量纲1形式的运动方程,可获得具有工程应用价值的近似解。     

基于线性协方差方法的交会对接误差分析

将线性协方差分析方法和蒙特卡罗仿真相结合,按交会任务和飞行特征把交会过程分为变轨飞行、自由飞行和中途速度修正三种特征段,研究了状态误差的传播规律和交会过程中各种误差对交会对接精度的影响。在变轨飞行段,分析了追踪航天器的姿态误差、控制系统性能状态估计误差,以及目标航天器轨道摄动对状态误差传播的影响。在自由飞行段,分析了追踪航天器估计状态误差的先验值和测轨误差对状态误差传播的影响。在中途速度修正段,分析了追踪航天器姿态误差和控制系统性能误差对状态误差传播的影响。仿真结果表明,误差分析方法设计合理,可以指导交会对接的轨道设计工作,能对已经设计好的交会策略进行误差分析和设计验证。     

航天器交会中的Lambert问题

应用Lagrange转移时间方程研究空间交会中的Lambert问题,包括经典Lambert问题(飞行弧段不足一圈的椭圆型轨道转移)与多圈Lambert问题(飞行圈数超过一圈的轨道转移),阐述转移轨道的几何特性与转移轨道类型,分析转移时间与转移轨道参数及变轨速度增量之间的关系。对航天器交会中常用的圆轨道之间的双冲量转移,给定转移角与转移时间,阐述最小变轨速度增量所对应的转移圈数与轨道参数的求解方法,提出满足最小变轨速度增量要求的轨道转移的图解法。对给定的初始分离角与交会时间,按最小变轨速度增量要求,确定航天器交会的初始漂移时间、双冲量轨道转移时间与终端停泊时间。     

航天器交会快速接近机动策略

对航天器交会接近段V-bar上保持点间的转移,单向(轨道径向或周向)推力机动的最短转移时间为半个轨道周期(对应双径向推力冲量)。若要求转移时间小于半个轨道周期,须采用双向(径向与周向联合)推力。为此,提出5种机动方案:1)起点双向冲量与终点双向冲量机动;2)途中双向连续推力机动;3)起点双向冲量与途中双向连续推力机动;4)途中双向连续推力与终点双向冲量机动;5)起点切向冲量与途中径向连续推力及终点切向冲量机动(即直线路径转移)。其中,方案1)(冲量机动)的速度增量最小,但轨迹视界角最大;方案5)(直线路径)的视界角最小(近似为零),但当转移时间T>0.292P(P为轨道周期)时,所需的速度增量较大。机动方案的选择应全面考虑转移轨迹安全性、速度增量需求、转移轨迹视界角,以及机动复杂程度等多方面因素。若视界角可满足总体设计要求,宜选择方案1);当T<0.292P时,也可考虑方案5)。     

气动力辅助椭圆轨道转移技术研究

研究了两种共面椭圆轨道最优转移方法--基于单纯推力的双脉冲对称转移和基于气动力辅助变轨技术的协同机动方法。推导了双脉冲对称转移问题中转移椭圆轨道的求解公式,采用遗传算法求解最优变轨点位置,给出了变轨脉冲的计算方法。将气动力辅助对称转移过程分为3段：真空飞行段、大气飞行段、真空飞行段。以能量最小为性能指标,将大气飞行段轨迹优化问题转化为标准最优控制问题模型,并利用Gauss伪谱法进行求解,得到“巡航+滑行+巡航+滑行”的大气最优飞行轨迹。最后对两种转移方法进行详细比较,指出初始椭圆轨道近地点越接近大气层,气动力辅助对称转移方法比双脉冲对称转移方法越节省能量。     

燃料受限的时间最优多脉冲交会问题

主要研究了时间最优多脉冲交会问题中最优交会时间和最优脉冲数随各因素的变化规律.建立了考虑路径约束的数学模型,并利用遗传算法对问题进行了求解.在此基础上通过大量的数值计算研究了共面圆轨道间交会问题中各因素(包括轨道半径比、初始相位差、燃料以及路径约束)对最优交会时间和最优脉冲次数的影响,并总结出了最优交会时间和最优脉冲数随各因素的变化规律.根据最优交会时间随各因素变化的曲线较为"平缓"(均为单调或只有一个极值)的事实,指出可以利用较少的特征点通过插值的方法来快速求解最优交会策略.结论对于空间营救和在轨规避等实际任务的轨道设计具有一定的参考价值.     

椭圆轨道非合作目标交会接近策略与控制

文章研究了追踪航天器与失控旋转非合作目标航天器在椭圆轨道中的交会接近策略与控制。在接近策略方面,首先,根据目标航天器大致结构设定一个安全的停泊点,使追踪航天器交会至停泊点;其次,通过在停泊点对旋转目标航天器姿态的观测,分析和预测其运动并确定合适的抓捕点位置,设计安全的接近轨迹,使追踪航天器沿着该轨迹接近至理想的抓捕实施点位置。在控制方面,考虑实际系统中的不确定性,只利用两航天器之间相对位置的测量信息,设计基于特征模型的自适应控制方法实现交会接近。最后通过数学仿真模拟整个交会接近过程,验证了文中所提出的接近策略和控制方法。     

目标飞行器交会对接轨道的设计和控制

根据目标飞行器轨道高度和追踪飞行器入轨轨道高度,给出了目标飞行器交会对接轨道初始相位的设计方法。针对目标飞行器交会对接轨道控制要求,建立了共面相位计算模型以及轨道相位、高度和圆化度的多目标参数求解模型。基于定轨误差、轨道控制误差和轨道预报误差的调相时间分析,制定了目标飞行器调相控制策略。仿真计算表明,实现的目标飞行器交会对接轨道满足要求,验证了调相控制量优化原则的正确性,并对标称共面与虚拟共面的共面时刻和共面相位进行了比较。所提出的计算模型、控制策略和分析方法适用于目标飞行器交会对接轨道设计和控制实施。     

空间交会最终平移段控制策略

提出空间交会最终平移段的控制方法,选取追踪航天器的相对位置与姿态角作为控制变量,同步控制追踪航天器的质心运动与姿态运动,修正制导机动执行偏差的影响,使目标航天器保持在光学导航视场范围之内,且满足对接操作对追踪航天器状态的要求。     

Motion-planning and pose-tracking based rendezvous and docking with a tumbling target

Rendezvous and docking (RVD) with a tumbling target is challenging. In this paper, a novel control scheme based on motion planning and pose (position and attitude) tracking is proposed to solve the pose control of a chaser docking with a tumbling target in the phase of close range rendezvous. Firstly, the current desired motion of the chaser is planned according to the motion of the target. In planning the desired motion, the “approach path constraint” is considered to avoid collisions between the chaser and the target, and the “field-of-view constraint” is considered to make sure the vision sensors on the chaser to obtain tight relative pose knowledge of the target with respect to the chaser. Then, the difference between the chaser’s motion and the desired motion is gradually reduced by a pose tracking controller. This controller is based on the non-singular terminal sliding mode (NTSM) method to make the tracking error converge to zero in finite time. Since the chaser nearly moves along the desired motion and the motion is reasonable, (1) it could safely arrive at the docking port of the target with a suitable relative attitude, (2) it will be always suitably oriented to observe the target well, and (3) the magnitude of the needed control inputs are less than that in existing literatures. The numerical results demonstrate the above three advantages of the proposed method.     

轨道维持与调相的综合优化策略研究

在交会对接飞行任务设计研究中必须首先确定目标航天器的轨道设计策略,研究了一种将目标航天器轨道维持和调相两种任务进行综合优化的策略.轨道维持的任务是使得目标航天器轨道的形状和位置符合交会要求,调相的任务是使目标航天器在轨道中的初始相位角符合交会要求.在考虑了交会对接发射窗口、交会终端约束条件下,将目标航天器轨道设计问题转化为一个非线性规划问题,应用序列二次规划方法对其进行了求解.仿真计算表明,这种方法既能以较少变轨次数满足交会对接任务要求,又能节省燃料,为空间交会对接任务规划提供了重要参考.     

最优气动力辅助空间拦截和交会

航天器从高轨道向位于低地球圆轨道的靶目标实施拦截或进行交会 ,并用间接求解的直接伴随方法 ,即用D型拉格朗日方法求解其优化问题。拦截条件是指在最终时刻两者的位置相同 ,而交会条件是指不仅位置相同且最终的速度矢量亦相等。文章讨论了最小时间与最小脱靶量 ,或最小时间与最小燃料消耗的复合性能指标 ,以及推力协同机动的优化解。推力协同下 ,对于特定情况 ,如在热流约束边界部分推力弧是奇异的 ,气动力控制是正常的。这种复杂性和奇异问题的求解在拦截和交会问题中都是值得慎重处理的。     

一类最省燃料优先的多圈飞行脉冲交会

通过分析采用多圈飞行Lambert解的双脉冲交会的特征速度与转移轨道半长轴的关系,指出其最优解实际上是2N+1条满足时间约束的转移轨道中燃料较省的,而非最省燃料轨道.提出将双脉冲交会的首次脉冲矢量分解成方向相同的两次脉冲,使得追踪器在特定的滑行轨道飞行N圈以消耗多余的转移时间,利用剩余的转移时间沿最省燃料轨道与目标交会.几何上证明了这种交会的特征速度与最省燃料转移相同,并且给出了解的存在性条件.通过仿真验证了这种交会比采用多圈飞行Lambert解的双脉冲交会更省燃料,解的存在性对转移时间的长度要求更低.     

天舟二号货运飞船全相位自主快速交会对接技术和在轨验证

介绍天舟二号货运飞船全相位自主快速交会对接技术和在轨飞行结果.介绍21世纪以来交会对接发展的两个趋势：自主和快速；给出天舟二号货运飞船全相位自主快速交会对接方案，以及主要技术特点；给出天舟二号货运飞船5~8 h飞控实施方案和推迟一天发射的飞控实施方案，以及在轨执行效果.天舟二号货运飞船入轨自主快速交会对接是世界上首次进行的全自主快速交会对接任务，为我国空间站工程后续任务奠定了坚实的技术基础.     

Libration point orbit rendezvous using PWPF modulated terminal sliding mode control

The near-range rendezvous problem of two libration point orbit spacecraft in the Earth–Moon system is studied using the terminal sliding mode control which enables a time-fixed process with the flight time prescribed a priori. The underlying dynamics are the full nonlinear equations of motion for a complete Solar System model. For practical purposes, two means of pulse-width pulse-frequency (PWPF) modulation are employed to realize the theoretical continuous control with a series of thrust pulses. Extensive simulations with major errors taken into account show that the sliding mode controller can successfully guide the chaser to a given staging node with the final position and velocity errors, on average, lower than 20 m and 1 mm/s, respectively. Compared with the glideslope guidance previously studied, the proposed approach outperforms the former by saving approximately 50–60% of total delta-v.     

交会对接敏感器总体设计要点分析

相对测量技术是完成在轨航天器交会对接的重要技术之一,设计能够完成相对位置、速度,以及近距离的相对角度、角速度测量的交会对接敏感器,用于确定交会的轨迹和控制对接时的相对运动,不仅要考虑实现功能、性能方面,还要考虑在工程实现中外太空杂光干扰、热环境等因素的影响．本文不涉及到交会敏感器的具体设计,而是从分系统的任务和技术总体设计角度,总结交会对接敏感器设计时应注意的几个方面．     

无人火星取样返回任务关键环节分析

无人火星取样返回探测在科学成果获取和工程能力提升方面均具有重要意义,与国外已经多次实现的火星着陆巡视任务相比,其任务周期更长,技术风险更高。取样返回飞行方式决定了任务的系统顶层设计。通过对国外研究成果的对比论证,认为应当在火星轨道附近完成交会捕获与样品转移任务,因此需要采用2个不同功能探测器:一个完成火星捕获、样品转移收纳与火地返回;另一个完成火星大气进入、表面上升与样品投送。在此基础上对大气进入、起飞上升、火星轨道交会捕获、样品转移、地球再入等关键环节进行任务分析,论证主要技术难点和初步的可实现途径。