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。     

交会对接任务轨道控制规划设计与实施

针对我国空间交会对接轨道控制规划技术,研究了轨道交会优化、应急轨道控制、安全轨道防护和发射窗口规划等一系列关键问题。设计了全寿命周期交会对接任务轨道控制规划方案,从目标飞行器发射到飞船返回,对轨道控制进行了全程协同、全局优化。设计了相位、高度、圆化度多目标融合控制算法;建立了规划变量对远距离导引终点六自由度的独立控制方程;设计了标称整体规划与动态逐级规划相结合的多模式规划策略;基于导引终点整体调整和局部调整的方式,实现了正常和应急条件下天地导引交接点的动态规划;提出了基于飞行控制过程建模的导引终点精度分析方法,确定了地面导引向自主导引切换的关键判据;建立了多约束交会对接发射窗口模型,构建了多任务多年度发射窗口集合。交会对接轨道控制规划技术成功应用于神舟八号、神舟九号和神舟十号交会对接任务。     

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。     

交会对接任务轨道控制规划设计与实施简

针对我国空间交会对接轨道控制规划技术,研究了轨道交会优化、应急轨道控制、安全轨道防护和发射窗口规划等一系列关键问题.设计了全寿命周期交会对接任务轨道控制规划方案,从目标飞行器发射到飞船返回,对轨道控制进行了全程协同、全局优化.设计了相位、高度、圆化度多目标融合控制算法;建立了规划变量对远距离导引终点六自由度的独立控制方程;设计了标称整体规划与动态逐级规划相结合的多模式规划策略;基于导引终点整体调整和局部调整的方式,实现了正常和应急条件下天地导引交接点的动态规划;提出了基于飞行控制过程建模的导引终点精度分析方法,确定了地面导引向自主导引切换的关键判据;建立了多约束交会对接发射窗口模型,构建了多任务多年度发射窗口集合.交会对接轨道控制规划技术成功应用于神舟八号、神舟九号和神舟十号交会对接任务.     

考虑观测的双冲量最优交会研究

针对跟踪星主动交会目标星的轨道转移问题,给出了考虑观测的双冲量最优交会迭代算法。首先对考虑观测的轨道交会问题进行了分析,给出了椭圆转移轨道的存在性判定方法。在此基础上,给出了基于粒子群的优化求解方案。经过对两异面椭圆轨道转移问题的仿真解算,求得了最优交会轨道,验证了算法的正确性。该研究成果可作为工程应用的有益参考,并为其他带约束的轨道交会优化问题提供可行的求解方案。     

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。     

参考系在目标器轨道的临近圆轨道最优脉冲交会研究

在目标器质心建立临近圆轨道参考系的前提条件下,从地心引力下的二体运动入手,推导了相对运动的线性方程,并得到最优交会的必条件;然后分四脉冲、三脉冲带漂移、三脉冲、二脉冲带漂移、二脉冲、奇异问题几种模式研究了最优交会问题的边界值求解问题和各模式之间的边界确定问题。     

空间交会对接调相轨道误差特性分析

分析空间交会对接目标航天器和飞船的轨道特性,针对同一发射地点先后发射两个航天器进行交会对接的方式,开展目标航天器调相轨道特性研究,并在.轨道预报相位误差特性分析的基础上,讨论目标航天器调相变轨策略和轨道预报精度需求。针对空间交会对接地面导引段开展飞船轨道特性研究,在霍曼转移轨道特性分析基础上.讨论一般转移轨道特性,分析飞船地面导引段终点状态对转移轨道的影响,并结合地面导引段研究轨道设计要素与飞船地面导引段终点状态的关系,分析轨控误差和预报误差对地面导引误差的影响。     

空间交会逼近走廊与相对位移控制

空间交会的最终逼近段是对接(或停靠)前的最后任务阶段,安全性求多,十分关键。为克服初始状态偏差与制导机动加速度偏差的影响,确保安全逼近与成功对接,须在逼近走廊内设定相对位移控制边界,并对达到控制边界的追踪航天器施加机动,使其回到标称位置。通过论述逼近速度走廊与双视场横向位移走廊的设计方法,引入控制变量(实际位移与标称位移之差),并提出相对位移控制方法与算法,其中双冲量控制所需速度增量最小,更适合交会对接工程实际应用。     

交会对接任务碰撞规避策略制定研究

针对交会对接任务目标飞行器与追踪器轨道运行特性,综合考虑规避策略计算方法与工程实际相结合的问题,提出高度规避、时间规避以及与正常轨控相结合的碰撞规避策略计算方法等三种空间目标碰撞规避策略计算方法。高度规避计算方法采用了Lambert飞行原理,用简化二体开普勒模型取代高精度轨道预报方法,迭代求解规避机动速度增量,实现了通过约束过交点与目标径向距离差得到速度增量的最优解;时间规避计算方法通过轨道周期与速度增量的关系,实现了通过约束过交点与目标的时间差得到速度增量的最优解;与正常轨控相结合的碰撞规避策略计算方法,在正常控制考虑冗余控制量的基础上,对控制策略的控制开始时间或沿迹方向的速度增量进行较小的修正,使两者通过碰撞点的时刻或径向距离错开,达到碰撞规避的目的,该方法不仅可以节省燃料、而且对任务的影响较小。通过对三种空间目标碰撞规避策略计算方法仿真分析结果表明,完全适用于交会对接任务,可为我国载人航天任务飞行安全提供技术保障。     

基于TH方程的椭圆轨道交会偏差分析

研究了考虑闭环控制偏差的椭圆轨道交会问题。基于推导的状态转移矩阵,采用线性协方差分析方法对交会椭圆轨道目标过程的导航偏差和控制偏差进行了分析,建立了闭环控制状态偏差和协方差的递推模型,给出了一种改善交会制导精度的修正算法。通过蒙特卡洛打靶仿真对线性协方差分析结果进行了验证,结果表明,本文所提出的偏差分析方法和修正算法精度较高,可用于椭圆轨道交会问题的研究。     

交会接近轨迹的闭环斜滑控制算法研究

为了矫正追踪航天器相对接近轨迹的偏离,实现交会轨迹的主动安全控制,在开环斜滑算法的基础上提出了闭环斜滑主动控制方法,包括轨迹控制的闭环斜滑算法和终端控制的闭环斜滑算法。利用某近距离交会接近问题,采用MonteCarlo（蒙特卡洛）打靶仿真,分析比较了开环斜滑算法和2种闭环斜滑算法。结果表明,闭环控制终端偏离明显小于开环情况,同时在较短时间内以较小的速度增量实现了终端状态控制,并且轨迹控制的闭环斜滑算法控制精度小于终端控制算法。     

基于比例导引的空间交会寻的段飞行任务设计

比例导引涉及的参数测量和控制手段简便,常被用作空间拦截的制导算法。基于该制导算法,在相对运动参数测量条件较弱的情况下,对空间交会对接寻的段飞行任务进行了设计。采用C-W制导算法,对寻的段飞行任务的标称轨道进行了设计。推导了基于固定推力发动机的比例导引轨道控制模型,并利用该模型对寻的段轨道进行了控制。通过仿真计算验证了所给出的比例导引模型的有效性。     

交会对接远程导引轨道控制状态规划与优化算法

对空间交会对接远程导引段轨道控制问题进行了研究。在简单介绍交会对接远程导引轨道控制实时规划模型的基础上,提出了基于近圆偏差方程、序列二次规划算法和目标权重函数等在不同控制目标模式下的状态规划与优化算法。仿真结果表明,该算法收敛速度快,能较好地满足交会对接远程导引段的轨道控制要求,具有一定的工程实用价值。     

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。     

微型航天器与空间非合作目标交会制导方法

星载设备能力有限的微型航天器在与空间非合作目标交会任务开始前,存放在空间轨道平台内,为了使其完成此项任务,需要设计制导方法。本文首先根据希尔（C-W）方程,设计了初制导律,然后在视线坐标系内建立了微型航天器与非合作目标间的相对运动方程,并设计了空间交会自寻的末制导律。交会任务开始时,为节省微型航天器的燃料,轨道平台根据初制导律以一定速度及释放角度释放微型航天器,微型航天器进入交会轨道,在初制导的作用下,经过若干个过渡轨道周期后接近空间非合作目标,并为末制导提供良好的交班条件,当末制导导引设备捕获并跟踪目标后可通过自寻的末制导最终完成与空间非合作目标交会任务。     

Rendezvous Guidance Trajectory Shaping

The Space Station will bring a great increase in rendezvous traffic. Formerly, rendezvous has been expensive in terms of time and crew involvement. Multiple trajectory adjustments on separate orbits have been required to meet safety, lighting, and geometry requirements. This paper describes a new guidance technique in which the approach trajectory is shaped by a sequence of velocity increments in order to satisfy multiple constraints within a single orbit. The approach phase is planned before the mission, leaving a group of free parameters that are optimized by onboard guidance. Fuel penalties are typically a few percent, compared to unshaped Hohmann transfers, and total fuel costs can be less than those of more time-consuming ways of meeting the same requirements.     

Optimal Terminal Rendezvous as a Stochastic Differential Game Problem

The optimal terminal rendezvous of two satellites in orbit about the Earth is studied using a stochastic model and formulating the rendezvous as a game problem. Each satellite has noise-corrupted output measurements and uses a Kalman filter to generate the best estimate of the states describing the rendezvous. The optimal control for the satellites is determined. A comparison is made in terms of dimensionality and complexity to a deterministic solution of the rendezvous problem.     

航天器快捷交会技术分析

快捷交会对航天乘员与飞行任务都是非常有利的。快捷交会的基本原理是减少调相段飞行圈数;为此,需设计可完成一系列交会程序的较短的飞行时间,并获得与飞行时间相匹配的较小的初相角。快捷交会的关键技术包括提高入轨精度,增强追踪飞行器的自主计算与轨道控制能力,扩大地面站覆盖范围,以及对目标飞行器轨道的精准调整。