航天器轨道交会的一般策略

航天器轨道交会机动可应用推力值较大的脉站式推力,也可应用推力值较小的连续型推力或间断型推力。阐述了航天器轨道交会的一般策略与设计方法,包括推力的选择与交会程序设计等。     

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。     

相邻两航天器相对运动近似方程的解析解及比动能方程

给出了地心引力场中受控航天器相对目标航天器运动的推力加速度随时间线性变化时Hill方程的解析解，根据Hill方程导出了受控航天器相对目标航天器运动的比动能方程，并讨论了比动能方程在上述两天器轨道相遇和轨道交会问题中的应用。     

航天器交会飞行设计方法研究

针对半自主飞行追踪星,阐述航天器交会总体设计方法。根据对接点的地理位置范围、共面轨道倾角以及目标星轨道周期与追踪星入轨点地理位置,确定交会飞行时间和两星初始相位差范围。考虑最小轨道机动动力要求与飞行轨迹安全性等因素,并兼顾地面测控条件,设计追踪星远程导引段与相对导航段的轨道机动与飞行轨迹,特别是选择与比较不同的初始轨道、调相轨道与漂移轨道以及保持点停泊时间与最终逼近段飞行时间等交会飞行要素,调整飞行时间、相位差与对接点位置,确定最佳交会飞行方案,完成空间交会任务。     

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)。     

航天器轨道交会迭代制导算法

针对航天器轨道交会的脉冲推力模型与实际发动机连续推力模型不相符的问题,研究一种脉冲变轨策略的工程实现方法,使脉冲变轨策略可应用于工程实际.基于Lambert飞行时间定理和遗传算法,研究航天器最优脉冲变轨策略.根据脉冲变轨优化的结果,采用迭代制导算法研究脉冲变轨工程化问题.仿真结果验证了迭代制导算法在航天器轨道交会中的有效性.     

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。     

基于电推进卫星飞往Halo轨道的转移轨道研究

利用电推进及轨道力学的特性实现节能优化,将限制性三体问题中的稳定不变流形与小推力轨道优化相结合,研究全电推进卫星从地球停泊轨道飞向日地拉格朗日L2点Halo轨道的低消耗转移轨道.航天器的转移轨道分为逃逸段、拼接段与无动力滑行段.在逃逸段卫星沿速度方向加速脱离地球引力,拼接段采用Radau伪谱法进行优化,使航天器以最短时间到达目标Halo轨道的稳定不变流形上,随后航天器电推进系统关机,沿稳定不变流形无动力滑行至目标轨道.基于雅克比积分常数给出拼接段轨道初始猜测值,以先提高切向方向航天器能量避免了全程优化离散点过多难以求解的问题.仿真结果表明,该方法收敛速度较快,对平动点工程任务的初期轨道特性计算具有实际意义.      

论空间交会中的径向连续推力机动与N次推力机动

文章从相对运动和绝对运动两方面分析径向小推力连续机动在空间交会V-bar接近中的运动规律，对冲量型、连续型和N次推力三类径向推力策略的性能进行比较。径向小推力连续机动的相对运动轨迹呈“旋轮线”型式。N次机动策略变轨速度总和与冲量型转移及连续推力机动所需的变轨速度相等，轨道控制能力提高，视界角比冲量型转移的视界角小，转移时间比连续型推力所需时间减少，且能适应范围更广的推力阶。N次推力机动策略综合性能优良。     

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.     

Constant thrust fuel-optimal control for spacecraft rendezvous

In this paper, constant thrust rendezvous is studied and the optimal rendezvous time is calculated by using continuous genetic algorithm. Firstly, the relative position parameters of the target spacecraft are obtained by using the vision measurement and the target maneuver positions are calculated through the isochronous interpolation method. Then, the results of the calculation of constant thrust rendezvous is founded by processing with multivariate linear regression method. Next, a new switching control law is designed based on the thrust acceleration sequence and the on time of thrusters which can be computed by the time series analysis method. The perturbations and fuel consumptions are addressed during the computation of the on time of thrusters.     

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。     

Deorbiter CubeSat mission design

This paper presents the mission design for a CubeSat-based active debris removal approach intended for transferring sizable debris objects from low-Earth orbit to a deorbit altitude of 100 km. The mission consists of a mothership spacecraft that carries and deploys several debris-removing nanosatellites, called Deorbiter CubeSats. Each Deorbiter is designed based on the utilization of an eight-unit CubeSat form factor and commercially-available components with significant flight heritage. The mothership spacecraft delivers Deorbiter CubeSats to the vicinity of a predetermined target debris, through performing a long-range rendezvous maneuver. Through a formation flying maneuver, the mothership then performs in-situ measurements of debris shape and orbital state. Upon release from the mothership, each Deorbiter CubeSat proceeds to performing a rendezvous and attachment maneuver with a debris object. Once attached to the debris, the CubeSat performs a detumbling maneuver, by which the residual angular momentum of the CubeSat-debris system is dumped using Deorbiter’s onboard reaction wheels. After stabilizing the attitude motion of the combined Deorbiter-debris system, the CubeSat proceeds to performing a deorbiting maneuver, i.e., reducing system’s altitude so much so that the bodies disintegrate and burn up due to atmospheric drag, typically at around 100 km above the Earth surface. The attitude and orbital maneuvers that are planned for the mission are described, both for the mothership and Deorbiter CubeSat. The performance of each spacecraft during their operations is investigated, using the actual performance specifications of the onboard components. The viability of the proposed debris removal approach is discussed in light of the results.     

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。     

Multiobjective genetic optimization of Earth–Moon trajectories in the restricted four-body problem

In this paper, optimal trajectories of a spacecraft traveling from Earth to Moon using impulsive maneuvers (ΔV maneuvers) are investigated. The total flight time and the summation of impulsive maneuvers ΔV are the objective functions to be minimized. The main celestial bodies influencing the motion of the spacecraft in this journey are Sun, Earth and Moon. Therefore, a three-dimensional restricted four-body problem (R4BP) model is utilized to represent the motion of the spacecraft in the gravitational field of these celestial bodies. The total ΔV of the maneuvers is minimized by eliminating the ΔV required for capturing the spacecraft by Moon. In this regard, only a mid-course impulsive maneuver is utilized for Moon ballistic capture. To achieve such trajectories, the optimization problem is parameterized with respect to the orbital elements of the ballistic capture orbits around Moon, the arrival date and a mid-course maneuver time. The equations of motion are solved backward in time with three impulsive maneuvers up to a specified low Earth parking orbit. The results show high potential and capability of this type of parameterization in finding several Pareto-optimal trajectories. Using the non-dominated sorting genetic algorithm with crowding distance sorting (NSGA-II) for the resulting multiobjective optimization problem, several trajectories are discovered. The resulting trajectories of the presented scheme permit alternative trade-off studies by designers incorporating higher level information and mission priorities.     

水平冲量多弧段交会过程中机动点的误差修正

探讨利用二次冲量法修正交会过程中两航天器机动点的误差;推导了误差修正所需冲量的理论解,并在基准相对运动方程中进行数值仿真;所得的结论说明该方法是可行的。