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。     

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。     

航天飞机最优空间交会轨道

本文在Clohessy-Wiltshir方程的基础上,研究了双冲量最小能量交会轨道,导出了△v(ωτ)的解析式。并采用一维寻优的数值解法求得了最优解。数字仿真结果表明,此法在一定的航程角(ωτ)范围内有实用价值。     

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。     

交会对接寻的段水平双脉冲交会轨道精确求解

基于考虑摄动影响的精确轨道动力学模型,对交会对接寻的段水平双脉冲交会轨道的精确求解方法进行了研究。提出了将控制脉冲的俯仰角近似转化为控制时刻的轨道幅角,从而调整脉冲控制时刻以消除径向速度增量的方法,精确求解首末水平双脉冲的启控时刻;引入导引终点位置偏差的比例控制方法,精确求解水平双脉冲的精确控制量。仿真结果表明,2轮整体迭代可获得首末水平脉冲控制时刻和控制量的精确值,脉冲水平特性达到俯仰角小于1°,导引终点相对位置精度达到10m,验证了该方法的正确性。     

地面测站引导卫星逆向交会的交会角研究

建立了用地面测控站引导交会时,不同交会角条件下测量误差引起的交会脱靶量计算模型和交会概率计算模型。重点讨论了单站雷达测量、双站雷达测量时,以最大交会概率为优化目标时的最优交会角问题,并确定了雷达测站位置与最优交会角的关系。仿真结果表明,最优交会角的恰当选择能显著提高逆轨卫星交会概率。     

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。     

交会对接远距离接近段制导研究

基于飞行器相对目标空间站的线性化运动方程，研究了交会对接中远距离接近段最优冲量解的必要条件，推导了确定最优解特征矢量曲线方程中待定参数的计算公式，给出了在特定初始状态和末状态下实现远距离接近的四次、三次、二次最优冲量解的作用时刻和大小的算法。通过一个交会实例的数字仿真分析，得到了有关远距离接近段制导方法的有指导价值的结果，验证了该方法是正确的、合理的。     

基于STK的小卫星轨道交会设计研究

利用球面三角形的几何关系进行了基于STK(卫星工具包)的小卫星轨道交会的规划和设计。采用一种较为方便的轨道交会设计方法,并使用功能强大的专业STK软件来仿真和演示,取得了良好的仿真效果,能够较好地满足航天器轨道交会设计的要求,对于其它类型的轨道规划有一定的借鉴作用,为各种航天器的仿真研究提供了一种新的方法。     

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。     

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.     

多GEO卫星接近观测任务规划

针对多GEO卫星接近观测任务,研究了时间约束下能量消耗最优的多任务规划问题.按照上层面向任务顺序安排,下层面向时间分配,建立了一对多任务模式下的二层非线性规划模型.基于双脉冲多圈Lam-bert交会原理,将下层连续变量时间分配问题转化为0-1整数规划模型,并设计了遗传-分枝定界算法来求解二层规划模型.仿真结果表明,通过...     

单OSV服务多卫星的转移轨道优化研究

利用混合法解决了有限推力作用下单OSV服务多卫星的转移轨道优化问题.首先从OSV携带燃料的角度出发,初步筛选出在其服务范围内的服务对象,基于双脉冲交会假设,确定了服务序列以及时间节点;其次针对每一段转移轨道,利用Pontryagin极小值原理推导出最优控制律,设定开-关-开的发动机工作方式,将初始协态变量和开关机时间进行参数化处理,采用遗传算法对非线性规划问题进行求解;最后对整条轨道进行拼接优化.仿真结果表明,混合法对协态变量初值猜测敏感性小,降低了搜索最优转移轨道的难度,且控制轨线光滑.     

空间站伴随卫星的最优轨道机动

介绍了空间站伴随卫星的概念和轨道机动过程，给出了伴随卫星的轨道构型；建立了伴随轨道的最优机动模型，并对脉冲轨道机动进行了仿真计算，得出了伴随轨道最优机动轨迹、方位角和释放时间等的变化规律,研究结果对伴随卫星控制具有一定的参考价值。     

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。     

TG01/SZ08交会对接轨道确定与预报精度分析

以我国首次空间交会对接为背景,介绍了交会对接任务轨道计算和预报的新特点。针对TG01("天宫一号"目标飞行器)调相控制期间的中长期轨道预报问题,分析了影响预报精度的多种因素,定量给出了偏航飞行姿态对轨道预报的影响,通过对不同策略预报结果的比较,制定了轨道预报的最优策略;针对SZ08("神舟八号"飞船)远距离导引期间的短弧定轨,采用适应短弧情况下的定轨策略,分别利用3圈、6圈地基统一S频段和中继卫星数据的定轨位置精度优于50m。     

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。     

测向交叉定位系统中的最优交会角研究

研究了测向交叉定位系统中的最优交会角问题。在目标到两部被动传感器基线之间的垂直距离不同的情况下和最小圆概率误差（CEP）准则下,得出了一些有意义的结论。研究表明,最优交会角跟目标到两部传感器基线的垂直距离与基线长度的比值l有关。当l≥√3/6时,只存在一个最优交会角且此时目标与两部被动传感器呈等腰三角形,并在此情况下分析了l的变化对圆概率误差的影响。当l＜√3/6时,存在两个相等的最优交会角。得出的结论在多个被动传感器的优化配置进而提高目标定位精度方面具有一定的理论和实际意义。     

基于样条约束“EMBET”再入轨道测量数据融合方法

针对再入轨道最小二乘交会解算方法数据利用率低、轨道解算精度差的问题,提出并实现了基于样条约束“EMBET”的再入轨道测量数据融合处理方法.该方法认为再入飞行轨道在时序上是相关的,可以利用三次B样条函数精确表示,建立了关于样条函数参数和测量系统误差的测量模型,从而大量压缩了待估参数数量,准确自校准系统误差,提高了轨道估算的精度和稳定性.     

航天器椭圆轨道自主交会的自适应学习控制策略

 提出了一种在缺少绝对轨道信息时的航天器椭圆轨道自主交会方法。利用Lawden方程描述椭圆轨道下的两星相对运动关系,并将方程中的时变参数单独归类。在假设这些时变参数无法得到的情况下,采用Lyapunov方法设计了椭圆轨道下自主交会的参数估计规则和自适应学习控制律。仿真结果表明,在只有相对状态信息的情况下,估计参数有效地跟踪了真实参数的变化,所设计的控制律能够实现椭圆轨道下航天器的自主交会。