嫦娥五号月球轨道交会对接远程导引轨道设计与飞行实践

结合月球轨道交会对接任务的特殊性和中国探月工程的实际工程约束,介绍了嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计,包括轨道器调相和上升器远程导引两方面内容,重点介绍了月球轨道交会对接远程导引多脉冲调相轨道方案的选择、标称轨道优化设计、轨控策略和误差分析结果以及实际飞行轨道控制的情况。飞行实践数据分析表明：嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计是正确合理的,实际飞行的速度增量满足推进剂预算的要求,全飞行过程测控条件良好,交班点控制精度完全满足转自主控制的要求,有力保障了交会对接和样品转移的顺利完成。     

空间轨道交会非线性优化方法研究

利用非线性规划方法研究了多脉冲最优轨道交会问题,考虑地球扁率J_2摄动影响,建立普遍适用的空间飞行器数学模型。以迭代的方法确定空间预定交会点,在此基础上建立了用于求解多脉冲最优轨道交会的非线性规划模型,并对双脉冲固定时间交会轨道进行优化,得到了最优速度增量的大小、方向和作用时间,通过仿真与Lambert轨道规划方法进行比较,验证了此方法的有效性和优越性。     

月球轨道交会任务的远程导引变轨策略研究

对国内外月球轨道交会远程导引段变轨策略的2~5脉冲变轨方案进行了比较分析,在考虑月球轨道交会飞行任务测控资源有限和航天器所带燃料受限等特点的基础上,确定了我国月球轨道交会远程导引段的变轨策略为4脉冲方案;并介绍了在4脉冲基线轨道方案的基础上,进行标称轨道设计和月面上升窗口初步分析的结果。研究结果可为我国月球轨道交会对接任务提供参考。     

一种立方星编队重构多脉冲机动规划方法

针对立方星轨道机动能力约束,提出一种基于相对轨道根数动力学模型的多脉冲机动规划算法。对于相对轨道面内各分量之间的控制耦合问题,基于“先控制相对形状、后修正迹向距离”的策略,提出了满足速度增量约束的多脉冲机动规划算法;分析了近地轨道 J 2 摄动和大气阻力摄动对相对轨道的影响,并基于线性化的状态转移模型提出了迭代优化策略,以降低立方星在摄动影响下的轨道机动误差。仿真结果表明,所提出的多脉冲机动规划算法在不同任务条件下均可获得有效的机动规划,迭代优化策略可有效地提高终点位置的精度,在基于高精度轨道递推搭建的任务仿真中也验证了算法的有效性,可用于立方星编队构建和重构任务。     

空间多目标拦截交会平台停泊轨道设计优化

针对空间多目标交会(拦截)平台停泊轨道设计问题,定义有效交会(拦截)区作为衡量平台交会(拦截)目标能力的指标,提出并建立了该类空间平台停泊轨道设计优化和分析模型,采用多岛遗传算法(MGA),以有效交会(拦截)区的最大化作为优化目标,以可交会(拦截)目标的数目和子飞行器轨道转移所需要的脉冲速度增量等为约束条件,对该类平台停泊轨道要素和子飞行器变轨时机进行综合设计优化。将上述模型和算法用于两空间平台设计中,一个是针对低轨2目标的交会平台,另一个是针对中轨3目标的拦截平台,得到合理的结果,表明所提出的设计优化模型以及选择的寻优算法是有效的。     

基于空间交会的天基反卫作战方案

对位于高地球轨道天基平台攻击低地球轨道目标的方案进行了研究,讨论了高轨作战平台的攻击范围。采用完全推力法实现远程空间交会。为消除异面霍曼变轨方法等待时间过长的缺点,提出了两种主动调相方法。研究表明：用该法可实现天基武器由高轨至低轨的空间转移交会,引入主动调相轨道可明显缩短交会所需时间。     

面向木星卫星交会任务的探测器飞行路径规划

针对探测器在木星系统内多次借力的飞行路径和轨道优化设计问题,提出了一种基于三层优化思想的飞行路径规划方法,该方法可根据给定的任务约束和交会目标,自动搜索探测器在木星系统内的借力飞行序列,同时完成标称飞行轨道的优化设计。首先,文章在给定轨道动力学模型和木卫借力模型基础上,建立了面向木卫交会任务的两次借力飞行轨道优化设计模型和求解方法;然后,采用结合遗传算法、全局遍历和贪婪算法的三层优化设计思路,给出了一种环木飞行路径规划方法;最后,以木星四颗卫星的交会任务为例进行了仿真分析。仿真结果表明：针对木卫的交会任务,探测器速度增量需求随木卫借力次数的增多,呈现先显著减小后逐渐增大的现象;探测器采用多次木卫借力的策略,可显著降低探测器的速度增量需求;探测器速度增量达到最优之后,借力目标收敛于交会目标,且速度增量随借力次数的进一步增多而逐渐增大。     

快速交会对接若干关键技术问题研究

综合相关文献,提炼出调相轨道设计,入轨精度对调相的影响评估和可变推力下入轨精度改进效果分析等快速交会对接关键技术问题.对比天宫和国际空间站的对接模式差异,比较分析了3种备选快速对接调相轨道的优缺点,给出了合理可行的实现建议.仿真分析表明,圆调相轨道、增大轨道差和双调相轨道配置有利于快速交会对接的灵活实现.通过对调相轨道和入轨精度匹配性的量化分析,提出了运载火箭进一步提高入轨精度的实现方法,为快速交会对接方案提供了有益参考.     

航天器相对运动水滴型悬停轨道研究

对航天器相对运动的C-W方程进行了分析,提出了航天器相对运动轨道设计中的一种水滴型悬停轨道,能够实现航天器相对空间目标在一定范围内进行悬停,并且只需使用脉冲速度增量控制即可实现长时间的悬停。文章对悬停轨道的悬停周期与目标航天器轨道参数和悬停位置的关系,以及悬停控制所需的速度增量ΔV进行了分析,给出了进行悬停轨道选择及设计的工程方法,并对C-W方程的状态转移矩阵进行了推导,得到了由常规的后方伴飞轨道使用脉冲速度控制方案进入目标星正下方的悬停位置的初始速度增量、转移时间及末端速度增量。根据分析结果,水滴型悬停轨道有利于工程实现,其设计方法可以应用于航天器在轨服务、侦察、巡视等任务的轨道设计。     

近地星座异面遍历交会轨道全局优化

根据J 2摄动对轨道面的长期影响规律，提出了一种在近地低轨道星座卫星之间进行异面轨道交会的解析近似方法，并用于建立多星多约束遍历交会的混合整数规划模型，能够快速获得多星交会次序、交会时刻的最优解。仿真算例表明提出的方法适用于在轨服务、构型重建等类型任务的快速优化，计算速度和燃料消耗优于以往类似算法。     

线性相对运动的正切拦截和正切交会轨道研究

针对冲量方向与追踪器速度方向相同的正切轨道问题,用线性相对运动方程研究了正切于初始轨道和正切于目标轨道的共面轨道拦截和轨道交会问题。得到初始和终端时刻的相对速度向量的解析表达式,定义了两个关于目标真近点角的单变量函数,于是正切拦截和正切交会问题等价于这两个函数分别等于零,最后用割线法求解这两个函数的数值解。根据能量最优要求,考虑初始漂移段,分析了一个周期内的最佳初始正切冲量点。仿真结果校验了本文提出的方法。     

同平面LEO-LEO气动辅助空间交会

给出了实现同平面LEO-LEO空间交会的必要条件，分析了基于脉冲的主动调相方法，并重点研究了基于气动辅助轨道转移技术实现同平面LEO—LEO的空间交会方案。通过设计标准的同平面HEO—LEO气动辅助轨道转移最优轨迹，得到OTV与目标实现交会必须满足的标准相角，然后采用主动调相法使飞行器运行到高轨道时，恰好满足HEO—LEO气动辅助空间交会的标准相角，最后借助气动辅助轨道转移技术实现空间交会。该方法具有扩大发射窗口，且比基于脉冲主动调相法节省燃料等优点。     

空间交会调相综合变轨优化

基于近圆轨道偏差线性方程研究了摄动交会调相综合变轨问题,建立了综合变轨两层非线性优化模型:上层问题以变轨点纬度幅角为优化变量,下层问题以脉冲向量为优化变量.为了快速获得上层问题全局优化性较好的摄动解,采用了并行模拟退火算法与序列二次规划算法相结合的混合策略;下层问题使用基于可行域最速下降的线性迭代方法求解.采用一个两天近地轨道调相问题测试了本文的综合变轨求解策略,并将综合变轨与特殊点变轨、综合变轨混合优化与遗传算法优化进行了比较.结果表明,建立的两层优化模型是有效的,本文的求解策略有着良好的全局收敛性和较高的收敛效率,综合变轨相对于特殊点变轨可以显著地节省燃料.     

Six-impulse maneuvers for rendezvous of spacecraft in near-circular noncoplanar orbits

The problem of a rendezvous of two spacecraft in close near-circular noncoplanar orbits is considered. The angles of applying velocity impulses and their orientation are determined from necessary conditions of optimality derived using the basis vector theory. For non-degenerate six-impulse solutions the analytical formulas are found that approximate the dependence of moments of applying velocity impulses and angles determining their orientation on the rendezvous duration. The total characteristic velocity of six-impulse solutions (or five-impulse solutions derived from them) is compared to the total characteristic velocity obtained when solving the Lambert problem.     

椭圆轨道交会、悬停与绕飞的全状态反馈控制

面向大椭圆轨道航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,对大椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,采用幂级数法分别在脉冲推力和常值推力作用两种情况下对系统进行了近似求解。通过对系统解的变换以及对系统状态的重构,给出了大椭圆轨道上的三种交会制导律。脉冲推力作用假设下的脉冲制导类似近圆轨道的Hill制导方法。常值推力作用假设下的全状态反馈制导律则在交会制导、相对悬停和循迹绕飞控制的过程中实现了对相对位置和相对速度的同步控制。通过构造新的系统状态,改进的变系数全状态反馈制导律提高了相对速度的制导精度,降低了相对制导过程中的最大轨控加速度。三种制导律的制导效果通过数学仿真进行了校验和比较,文中给出的方法实现了椭圆轨道上相对交会制导、悬停保持和循迹绕飞控制。     

基于参数优化的脉冲轨道设计

基于参数优化设计了一种可处理各类脉冲轨道优化的一般方法,并给出了两种确定最优脉冲数的方法。以脉冲矢量与脉冲施加时刻为未知参数,将脉冲轨道优化设计转为非线性参数优化,用合适的非线性规划算法求解。主矢量理论对所得解最优性的验证表明该方法可行。     

考虑地球扁率效应的两圆轨道之间的双共切最优转移

两圆轨道之间的双共切转移轨道是其近地点和远地点分别在这两个圆轨道上的椭圆轨道。本文用两次冲量法给出了沿双共切椭圆轨道实现从一圆轨道向另一圆轨道转移的最优方案，并考虑到地球扁率造成的轨道摄动。文中的所谓圆轨道指的是变轨时刻的密切轨道为圆形的轨道，是对近圆轨道的近似替找。     

空间交会调相特殊点变轨求解算法

空间交会调相是交会轨道控制的关键问题,本文给出了摄动条件下交会调相特殊点变轨求解算法.算法由粗求解器和细求解器组成:粗求解器中仅迭代部分设计变量,其余设计变量由Gauss型摄动运动方程解析计算;细求解器以粗求解器计算结果为初值,迭代所有设计变量获得较精确满足终端条件的解.算法简单可靠,适用于工程实际,算法的有效性得到了STK高精度轨道预报模块的验证.     

The Use of Quaternions in the Optimal Control Problems of Motion of the Center of Mass of a Spacecraft in a Newtonian Gravitational Field: II

The problem of a rendezvous in the central Newtonian gravitational field is considered for a controlled spacecraft and an uncontrollable spacecraft moving along an elliptic Keplerian orbit. For solving the problem, two variants of the equations of motion for the spacecraft center of mass are used, written in rotating coordinate systems and using quaternion variables to describe the orientations of these coordinate systems. In the first variant of the equations of motion a quaternion variable characterizes the orientation of an instantaneous orbit of the spacecraft and the spacecraft location in the orbit, while in the second variant it characterizes the orientation of the plane of the spacecraft instantaneous orbit and the location of a generalized pericenter in the orbit. The quaternion variable used in the second variant of the equations of motion is a quaternion osculating element of the spacecraft orbit. The problem of a rendezvous of two spacecraft is formulated as a problem of optimal control by the motion of the center of mass of a controlled spacecraft with a movable right end of the trajectory, and it is solved on the basis of Pontryagin's maximum principle.