环月快速交会调相策略设计与任务分析

针对未来载人登月任务中登月前环月轨道交会对接与组装问题,基于我国现有近地两天交会对接飞行方案,设计了环月轨道一天快速降轨交会任务的调相变轨方案,采用四脉冲修正特殊点变轨算法进行求解。分析了快速交会的调相终端控制精度、最优初始相位角范围等任务特性参数,给出了满足调相段终端控制精度所需要的定轨精度,分析了环月轨道倾角、调相段终端瞄准相对状态和调相时间对最优初始相位角范围和变轨总速度增量的影响规律。仿真结果表明,实施环月快速交会任务,要求追踪器与目标器的定轨精度均较高,但追踪器的最优初始相位角范围较大。     

基于快速交会特殊点变轨策略的航天器发射窗口分析

快速交会任务将会随着未来航天任务的增加而成为主流形式,发射窗口的选择是快速交会任务完成的关键因素。当交会任务特殊点变轨策略确定后,若使整个变轨过程中追踪器达到最少燃料消耗,则需要目标器与追踪器初始时刻的相位差在一定范围内。利用交会任务的线性化方程组可以估算该相位差,经过遍历计算可以确定追踪器的相位窗口。另一方面,根据追踪器的异面变轨能力以及不同的发射策略可以确定周期性的平面窗口。本文综合相位窗口和平面窗口的选择方法,在测控等其他条件理想的情况下,得出追踪器最终发射窗口,是快速交会任务完成的必要条件。     

直接优化算法在快速交会组合变轨策略中的应用

快速交会远程导引段轨道机动过程中,交会时间受限、考虑测控约束的最小燃料消耗脉冲交会属于多变量优化问题,需要建立一种混合的优化算法对问题求解。建立了基于Lambert双脉冲的多脉冲快速变轨策略模型,给出一种三步串行的混合智能优化算法对模型进行求解。首先利用粒子群算法搜到全局最优解的近似解;然后以全局最优解的近似解作为二体模型的初解,用序列二次规划算法对全局最优解的近似解进行局部优化,所得解为精度较高的精确解;最后以二体模型下所得的解为初值,用最小二乘法解非线性摄动约束的快速交会问题。使用三步串行的混合优化算法对基于轨道要素的变轨策略进行仿真验证与分析。仿真结果表明,该算法能够规划出椭圆轨道到圆轨道共面、两椭圆轨道异面以及考虑测控约束情况下的快速交会轨道机动策略。     

环月远程快速交会任务规划

针对载人登月返回任务中月面上升舱与指挥服务舱的环月远程快速交会问题,以共椭圆快速交会策略为标称策略,并给出摄动模型下的修正方法。给出考虑总交会时间约束、机动时间间隔约束和燃料优化效率的燃料最优共椭圆快速交会策略,以及考虑总速度增量约束、机动时间间隔约束和时间优化效率的时间最优共椭圆快速交会策略。通过算例仿真验证了共椭圆快速交会策略的可行性以及摄动模型下的交会精度,对共椭圆快速交会策略的总速度增量与交会时间的关系进行分析,并对比燃料最优和时间最优共椭圆快速交会对接策略,证明了优化策略的有效性。     

基于直接配点法的绳系卫星系统变轨控制

讨论了不必回收子星的二体绳系卫星系统(TSS)的变轨方案。假设TSS质心运动满足经典的二脉冲Hohmann变轨,用未变形绳长加速率控制两次脉冲期间的TSS运动。利用直接配点法中的Hermite-Simpson方法将控制消耗最小的最优问题离散为大型非线性规划问题,然后用MATLAB的SNOPT软件包求解;针对初始偏差较大的实际情况,又结合直接配点法和滚动时域控制得到了解析的反馈控制律。仿真算例表明,得到的TSS变轨过程状态变化平滑,控制消耗较小,而且变轨之后TSS接近平衡状态;此外,反馈控制律对最优路径的跟踪效果较好,能够消除初始偏差的影响。     

区域覆盖星座构型优化及协同控制策略研究

针对区域覆盖卫星星座的回归特性和构型维持需求,利用轨道半长轴和倾角与升交点赤经漂移和相位角漂移变化率之间的线性关系来优化星座构型参数,提高卫星星座构型的长期稳定性,同时通过协同控制轨道半长轴和倾角漂移量来实现区域覆盖星座构型维持。最后对区域覆盖天基雷达星座进行了构型优化设计和仿真,仿真结果表明了星座构型优化设计和维持策略的有效性。     

嫦娥五号月球轨道交会导引策略设计

嫦娥五号任务实现了国际首次月球无人轨道交会对接，本文详细介绍了其最终飞控实施所采用的交会导引策略的设计模型、方法和工程实现考虑。讨论了嫦娥五号月球轨道交会任务的工程设计约束和关键参数的确定，提出了一种月球轨道交会的交班点确定方法。提出了一种新的四脉冲交会策略，通过引入径向变轨控制量，固定各次变轨点位置，解决了在月球背面测控遮挡约束下确保各次变轨全过程测控可见的工程难题。针对新四脉冲方案，采用近圆轨道偏差方程提出了一种新的初值求解方法，构造了基于微分修正的精确数值求解算法，并推导了求解所需的状态转移矩阵的解析表达形式。建立了测控约束下的交会导引约束优化模型，获得了测控约束下的最优能量解，并揭示了问题的全局特性规律。给出了所提出方法在嫦娥五号实际任务中的应用，验证了此方法的正确性。     

非合作目标交会的双层MPC全局轨迹规划控制

针对空间非合作目标近距离视线交会中的全局最优鲁棒轨迹规划与控制问题,提出了基于高斯伪谱方法（GPM）和线性时变模型预测控制（LTVMPC）的双层模型预测控制（MPC）算法。在轨迹规划方面,以视线坐标系下的相对轨道动力学为模型、能量最少和控制精度最优为性能指标构建最优控制问题,利用GPM精度高、收敛速度快的特点将最优控制问题转化为易于求解的全局非线性规划问题,在MPC框架下求解得到全局最优的标称轨迹,克服了传统的MPC不适用于全局大范围非线性规划的缺点;在轨迹跟踪控制方面,考虑预测时域内状态转移矩阵的时变特性,设计了LTVMPC算法对标称轨迹进行追踪,避免了存在不确定性时轨迹的重规划,从而降低在线计算量,保证算法在线自主实施,并且采用滚动优化的策略使算法对不确定性具有鲁棒性。由于规划层和控制层考虑的约束相同,因此规划的轨迹是可控、可达的。数字仿真表明,在燃料消耗和交会时间等方面,提出的方法均显著优于传统的MPC方法,相较于传统的MPC方法,新算法的交会时间减少50%左右,燃料消耗降低30%以上。     

行星际小推力轨道Lambert解及应用

 为提高行星际小推力转移轨道初始设计精度,提出了基于N次逆多项式逼近的半解析Lambert算法,并基于该算法发展了一种转移轨道初始设计方法。首先,采用N次逆多项式近似小推力轨道形状,应用推力方向假设和位置速度边界条件推导出部分系数及推力大小解析式。接着,分析了飞行时间约束和轨道动力学约束下解的存在性,并给出了关键系数的可行域。然后,利用探测器质量消耗方程建立了Lambert问题求解模型并加以解决。最后,基于所提Lambert算法,通过对连续推力约束进行降维,提出一种求解多圈非固定时间的行星际小推力转移轨道初始设计方法。分别以固定和非固定时间转移任务为例对所提Lambert算法和初始轨道设计方法进行了数学仿真,数值结果表明：相比传统6阶方法,所提Lambert算法在目标轨道半长轴为5 AU时可减少速度增量需求36.63%;所提初始设计方法与最优化方法设计结果接近,可为转移轨道的精确设计提供可行的设计初值。     

货运飞船遥操作交会对接仿真试验系统初步设计与仿真分析

以无人货运飞船与空间站交会对接为背景,设计并构建了一套货运飞船遥操作交会对接仿真系统,用于模拟空间站内航天员遥操作货运飞船进行交会对接,重点是各种时延条件下的仿真试验及评估分析.试验结果表明:在所设定的时延范围内,燃料消耗和任务用时受到时延大小的影响,而对接成功率和安全率则不受影响,即在TV图像和测量数据等辅助下,可完成航天员遥操作货运飞船与空间站的交会对接任务.     

路径约束的时间最短多脉冲交会全局优化

不同于现有的多脉冲最优交会研究多集中于交会时间固定的最省燃料优化,研究了路径约束和脉冲受限的多脉冲最短时间交会问题。综合考虑了交会测量视场角、脉冲总量和脉冲作用时刻等约束,基于Lam-bert交会算法,建立了多脉冲交会最短时间优化的非线性规划模型。为了高效获得全局最优解,采用了模拟退火算法用于非线性优化问题的求解。最后,通过解决一个寻的三脉冲交会问题验证了模型和算法的有效性。该研究方法可寻找满足特定约束条件的最优交会轨道。     

基于二次优化的空间碎片多目标交会方案

针对空间碎片多目标交会轨迹设计问题的复杂性,提出一种利用分支定界法进行总体设计和改进粒子群算法进行二次优化的轨迹优化方法。通过碎片状态矩阵的建立和时间网格的划分,将多目标的交会问题转化为整数规划问题,利用分支定界法对总体交会顺序进行第一次优化。在此基础上,以交会时间和等待时间为优化参数,利用改进梯度粒子群算法对具体的单目标交会轨道问题进行第二次优化。仿真结果表明,飞行器与碎片的相对位置和相对速度误差满足精度要求,验证了多目标交会方案的有效性。     

混合遗传算法在航天器最优交会中的应用

推导了航天器双冲量交会时的优化模型,以此为基础构造了最优交会的燃料-时间混合优化指标,并针对基本遗传算法局部搜索能力不强的问题,提出一种将最速下降法与遗传算法相结合的混合遗传算法,其中下降搜索的优化方向利用每一代中最劣个体所包含的优化信息获得。数值计算表明,该混合算法可加速算法的收敛,具有良好的优化性能和函数适应能力。最后,对共面圆轨道双冲量交会情况进行了仿真计算,仿真结果表明混合遗传算法的设计是成功的。     

椭圆轨道星座构型自稳定设计研究

椭圆轨道星座构型稳定性要求同时实现升交点赤经、近地点幅角和平近点角的稳定。通过初始偏差对椭圆轨道卫星的长期影响分析可知,轨道半长轴、倾角和偏心率的初始偏差对升交点赤经、近地点幅角和平近点角的长期摄动变化是线性的,因此通过主动偏置轨道半长轴、偏心率和倾角能够实现椭圆轨道星座构型的自稳定设计,从而提高其构型稳定性。对实例星座的设计结果表明,自稳定设计方法对提高椭圆轨道星座的构型稳定性是有效的。     

基于非线性相对运动方程的碰撞规避机动规划方法

针对空间目标数量急剧增加带来的航天器碰撞风险增加问题,提出基于解析非线性相对运动方程的碰撞规避机动规划方法。首先,基于航天器控前飞行轨迹的精密星历及相对运动坐标系下的解析非线性相对运动方程,建立控后飞行轨迹的快速构建方法;其次,利用两目标接近数值分析算法,基于等效距离指标对航天器控后飞行轨迹与已编目空间目标的碰撞风险进行快速评估;最后,以变轨时刻及半长轴控制量为优化变量,以总速度增量最小为目标函数,以控后飞行轨迹的接近距离大于给定门限值为约束条件,建立碰撞规避机动优化模型。通过对实际任务背景的算例分析表明,提出方法得到的碰撞规避机动方案可有效降低碰撞风险。     

基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计

提出了基于Taguchi方法的转子系统动力学容差设计理论.从结构的动力响应要求出发,以Taguchi方法为基础,对结构的制造及装配容差进行动力学容差设计,减小结构在制造过程的设计参数不确定和安装工艺不确定影响下其动力响应的波动.该设计过程为:①通过正交试验及方差分析完成参数设计,初步确定符合要求的参数设计值组合;②确定容差设计的初始设计值及初始设计范围,确定目标函数,形成多目标优化问题;③利用遗传算法对多目标优化问题进行解算,得到容差设计结果.对某型双转子航空发动机具有初始不平衡量轮盘的安装工艺进行了容差设计.设计表明:具有初始不平衡量的轮盘在装配时通过控制不平衡量的幅值及相位角差的搭配可有效降低支承振动响应,设计后支承最大振动响应合格率由17.7%提高至97%,验证了该设计理论的可行性.     

中继卫星系统对用户航天器快速测定轨能力分析

针对快速交会对接方案提出的航天器两圈实现变轨的可行性,使用太阳活动平静期的用户航天器四程测距数据,并结合中继卫星观测模型设计磁暴期航天器仿真测距数据,使用动力学定轨方法进行计算分析,论证了中继卫星系统对用户航天器的快速测定轨能力,解算出的航天器轨道根数精度为快速交会对接机精度分析提供了参考。     

中继卫星系统对用户航天器快速测定轨能力分析简

针对快速交会对接方案提出的航天器两圈实现变轨的可行性,使用太阳活动平静期的用户航天器四程测距数据,并结合中继卫星观测模型设计磁暴期航天器仿真测距数据,使用动力学定轨方法进行计算分析,论证了中继卫星系统对用户航天器的快速测定轨能力,解算出的航天器轨道根数精度为快速交会对接机精度分析提供了参考.     

考虑相对几何约束的载人月面上升交会轨道研究

针对载人月面上升交会任务对任务快速性和自主性的高要求,基于共椭圆交会方案,将提升任务自主能力的相对测量条件和航天员的操控特点量化为着陆器与目标飞行器的相对几何约束,设计了载人月面上升交会轨道的参数。首先建立了载人月面上升交会飞行过程的时间、相位和速度增量解析模型,然后提出了相对几何约束模型,最后分析了入轨相位差随Lambert转移轨道半长轴单调递增的规律,提出了通过确定边界值来快速求解可行域的方法。仿真验证了方法的有效性,计算分析了任务周期、速度增量、相对距离在可行域内的取值情况,结果表明当目标环月轨道高度取300 km时,过渡轨道不应低于220 km,相对测量范围至少750 km。     

低仰角大气折射误差对初轨精度的影响分析

针对在交会对接任务中测量船使用的电波折射经验模型存在低仰角跟踪测量修正精度差的问题提出改进思路,在模型中引入基于天顶延迟的拟合算法优化修正模型,提高了船载雷达低仰角跟踪时距离的修正精度,满足了测量船数据处理的精度需求。用新方法处理数据,计算的轨道根数半长轴外符合误差平均降低了605m,有效提高了测量船定轨精度。