空天飞行器交会的轨道机动策略研究

在给出了空天飞行器(Aerospace Vehicle,ASV)的概念及任务构想之后,依据轨道动力学,结合ASV的特点,研究了ASV与目标在同一圆轨道上以及在共面不共轨圆轨道上的交会策略。其中,针对同一圆轨道上的交会分析了椭圆轨道机动和快速机动两种交会方案,对共面不共轨圆轨道上的交会讨论了霍曼轨道机动、双椭圆轨道机动以及快速机动3种交会方案。在每一种交会策略中均详细分析了交会所需的时间、速度增量以及轨线长度等。最后通过仿真分析了各种交会策略的优劣。     

追踪椭圆轨道目标Hill制导及其误差分析

针对椭圆轨道目标的飞行器近距离交会问题,研究了追踪任意椭圆轨道目标的Hill制导方法.从状态转移矩阵出发推导出追踪椭圆轨道目标的Hill制导表达式,然后推导出连续常值推力作用下系统状态的解析表达式,在此基础上分析了Hill制导过程中线性化误差和J2摄动误差,通过误差项进行补偿,并给出了Hill制导改进算法.仿真分析表明椭圆轨道Hill制导是可行的,且其改进算法能进一步提高制导精度.     

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。     

轨道交会、悬停及绕飞控制的解析解方法

面向航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,分别对近圆、椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,在常值推力作用假设下进行了相对运动的解析求解。采用模型预测的方法获得航天器相对位置和相对速度的预期偏差。通过广义逆变换构造关于预期偏差的最小范数、最小二乘全状态反馈控制器。提出了一种普遍适用于近圆、椭圆轨道,可以实现轨道交会、相对悬停保持和循迹绕飞,对相对位置和相对速度进行同步控制的高精度、高稳定度相对制导律。仿真结果校验了方法的可行性和有效性。     

交会椭圆轨道目标Hill制导误差分析

在交会椭圆轨道目标阶段,Hill制导受各种误差因素的影响。介绍了椭圆轨道目标Hill 制导的误差因素,并着重研究了导航误差和控制误差对终端位置的影响,给出了误差的基本 表达式。与交会圆轨道目标情况进行比较,分析了初始真近点角对导航误差引起的终端位置 偏差的影响。在此基础上给出了一种修正算法,理论上证明了修正算法能显著提高终端位置 的精度。通过Monte\|Carlo方法的仿真结果表明,合理改变初始真近点角能减小导航误差引 起的终端位置偏差,并且修正算法能更有效提高制导精度。
     

小推力速度闭环交会制导律设计

在空间飞行器交会对接的近程导引阶段,以小推力喷气发动机作为执行机构,同时完成轨道控制和姿态稳定.基于C-W方程提出了速度闭环交会制导方案,依据转动惯量是否为对角占优阵,姿态与轨道协调控制采用分时控制方案或同时控制方案,轨控推力和姿控力矩指令由同一套小推力发动机来执行.分析了此方案的制导误差,并提出了分步多推力弧段的小推力交会制导方法以提高制导精度.基于MATLAB/Simulink仿真平台实现了两个空间飞行器的分步多推力弧段近程交会导引仿真,仿真结果证实了所采用方法的有效性.     

方位角约束自主交会变结构制导律设计

针对空间交会视线相对运动动力学模型具有时变非线性和参数不确定性的特点,提出了一种基于非线性滑动模态的自主交会变结构制导算法。通过将视线运动模型划分为横向和纵向运动模型,分别设计了相应的非线性滑动模态。横向滑动模态是一种由视线角速率、视线角和时间构成的非线性函数,而纵向滑动模态则是由距离、速率以及时间构成的非线性函数。然后,根据Lyapunov稳定性理论分别推导了横向和纵向自主交会变结构制导规律。横向制导实现了带有末端方位角约束的自主接近;纵向制导保证了软交会所要求的距离和速度协同控制。仿真结果表明,设计的方法在只使用相对信息量的前提下克服了交会模型的耦合非线性和参数不确定性,并能适用于不同高度圆轨道和椭圆轨道上的V-bar和R-bar自主交会任务。     

基于θ-D方法的方位角约束自主交会控制

基于θ-D方法研究了视线坐标系内带有方位角约束的自主交会控制问题。根据轨道坐标系相对运动模型,建立视线相对动力学模型。针对该模型具有非线性强耦合的特点,采用θ-D次优控制算法设计了自主交会的闭环控制方法,并讨论了加权矩阵选取原则。所设计的交会最优控制方法不需要实时求解状态相关黎卡提方程和哈密顿-雅可比-贝尔曼方程,使自主交会控制获得了简易性和快速性,同时实现了对交会方位角的控制,解决了对接口指向不同方位的交会问题。最后,数值仿真验证了控制方法的有效性,克服了交会模型的非线性和参数不确定性,且对于目标圆和椭圆轨道交会任务均适用。     

空间交会对接寻的段三次变轨策略分析

根据第一次变轨采用地面或自主引导,以及后两次变轨策略,提出了采用Hohmann变轨与CW双脉冲最优变轨、CW双脉冲变轨 中途一次修正,以及CW三脉冲最优变轨的空间交会对接寻的段三次变轨方案.仿真分析了方案中Hohmann变轨椭圆转移轨道远地点高度、CW双脉冲转移时间、总转移时间或第二次变轨时间与总特征速度的关系,并给出寻的段变轨策略建议.     

椭圆轨道航天器自主接近的制导律研究

椭圆轨道自主交会接近制导律问题是当今空间技术领域中的一个研究不足。基于T\|H方程 ,设计了两种仅利用相对运动信息、控制力定常的椭圆轨道自主接近制导律：滑模制导律和 势函数制导律。从两种制导律的特性分析,滑模制导律对系统的运行轨迹更加苛刻,而势函 数制导律更加充分地利用了系统的自由运动,具有更好的控制性能。数值仿真结果也表明： 对 于相同的制导目标、制导时间和制导精度,势函数制导律所需的喷气开关次数和速度增量均较少。     

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.     

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

The results of numerical solution of the problem of a rendezvous in the central Newtonian gravitational field of a controlled spacecraft with an uncontrollable spacecraft moving along an elliptic Keplerian orbit are presented. 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. The problem of a rendezvous of two spacecraft is formulated [1, 2] 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. The paper is a continuation of papers [1, 2], where the problem of a rendezvous of two spacecraft has been considered theoretically using the two above variants of the equations of motion for the center of mass of the controlled spacecraft.     

一种基于CW方程的交会远程导引终端误差分析新方法

直接采用轨道坐标系的相对位置和速度描述交会远程导引误差会产生误差放大的不合理现象,对远程导引误差的精确分析需寻求新的误差描述与分析方法。本文在算例分析的基础上提出了一种基于CW方程的远距离导引终端误差分析新方法,并利用该方法建立误差模型分析远程导引的误差分布与传播。分析结果表明基于CW方程的远程导引误差模型能较为准确地描述远程导引终端的误差状态和后续传播情况,适合在实际工程中用于描述远程导引终端精度指标。     

相邻两航天器相对运动近似方程的解析解及比动能方程

在地心引力场中,当目标航天器沿近圆轨道作无动力运动时,与目标航天器相邻的受控航天器相对于目标航天器的运动可以近似地用Hill方程描述。文章给出了受控航天器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。并根据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。还讨论了比动能方程在上述两航天器轨道相遇和轨道交会问题中的应用。     

组合体与飞船联合轨道维持

通过组合体与飞船联合轨道维持解决了组合体和飞船轨道多特征参数的控制问题。建立了升交点经度、轨道高度和偏心率的控制方程以及基于时间关联特性的升交点赤经和制动点高度耦合控制方程和偏心率保持的双冲量耦合控制方程。结合组合体与飞船的飞行特点,制定了组合体轨道维持实现升交点赤经和轨道偏心率以及飞船轨道维持实现制动点高度的联合控制策略。耦合控制方程使得组合体和飞船轨道维持的控制量分配合理,融合了各次控制之间存在的耦合影响,设计了联合轨道维持策略迭代计算流程。基于神舟九号交会对接飞行过程,通过多组仿真算例校验了组合体与飞船轨道多特征参数的联合优化控制,具有较好的工程应用价值。     

空间最优交会

在相对体制下,本文讨论了混合指标下的最优交会问题。除给出了最优交会体制导律的结构形式外,还提供了求解最优交会制导律的参数方程组。该方程具有迭代求解形式,给数字求解带来极大方便。     

航天器交会寻的段三冲量制导方法及误差分析

提出一种航天器空间交会寻的段的三冲量制导方案.以节省燃料和提高末制导精度为目标,设计出基于Hill方程寻优和轨道预报实时优化的双重优化方法,对无初始误差及测量误差情况下的寻的制导效果进行仿真分析,并且对存在初始误差与测量误差时的寻的制导进行模拟打靶试验.仿真结果表明此方法在保证终端精度的同时能较好地节省燃料,并且对于误差影响具有鲁棒性,计算量较小,具有工程可实现性.     

基于激光雷达测量的空间交会对接相对导航

激光雷达可以作为空间交会对接过程中的相对导航敏感器之一。本文基于线性H ill方程和经典双脉冲交会理论,给出一种两航天器多脉冲交会算法。结合激光雷达的测量值设计相对导航EKF滤波器。仿真结果表明通过滤波,激光雷达能够为航天器交会对接提供足够精度的相对位置和相对速度信息。