卫星交会的自主导航技术

论述卫星交会自主导航的飞行任务背景和概念 ,综述国内外学者正在进行探索研究的思路 ,以期引起国内学者的的注意、探讨和深入研究。     

飞船的双冲量最优交会

本文利用作者在文献中所介绍的Clohessy—Wiltshire方法,在线性引力模型的假设下,求得了实现双冲量交会的最优解析解,即实现交会所需施加的两次冲量之和最小。数字仿真表明,本分析是正确的。     

Spacecraft optimal rendezvous controller design using simulated annealing

A new global approach for rendezvous Linear Quadratic controller design is presented in this paper. Instead of solving the algebraic Riccati equation, a continuous simulated annealing (SA) algorithm is used to design rendezvous LQ controller. Optimization of one automatic rendezvous controller with 18 design parameters is illustrated. The results show that the SA algorithm can locate the global solution effectively and robust, besides a great number of global solutions have been obtained by the SA. The SA has demonstrated better performance than other optimization algorithms such as floating-coded Genetic Algorithm, Simplex method and Powell algorithm.     

Precise line-of-sight modelling for angles-only relative navigation

This work presents a precise analytical model to reconstruct the line-of-sight vector to a target satellite over time, as required by angles-only relative navigation systems for application to rendezvous missions. The model includes the effects of the geopotential, featuring: the analytical propagation in the mean relative orbital elements (up to second-order expansion), the analytical two-way osculating/mean orbital elements’ conversion (second-order in $J_2$ and up to a given degree and order of the geopotential), and a second-order mapping from the perturbed osculating elements’ set to the local orbital frame. Performances are assessed against the line-of-sight reconstructed out of the precise GPS-based positioning products of the PRISMA mission. The line-of-sight modelled over a far-range one day long scenario can be fitted against the true one presenting residuals of the order of ten arc-seconds, which is below the typical sensor noise at far-range.     

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。     

基于CPSO的UAV编队集结路径规划

针对多无人机编队集结路径规划问题,提出了具有合作机制的分布式协同粒子群(CPSO)算法。为了满足无人机运动学约束,采用曲率连续的PH曲线作为备选路径。基于协同进化思想提出CPSO算法,为每架无人机规划出一条满足机间协同约束的最优安全可飞行路径。仿真结果表明,规划得到的多条路径能够满足无人机运动学约束、安全性及无人机之间的协同性要求;相比于协同进化遗传算法,CPSO算法搜索成功率更高,稳定性更好。     

基于混合粒子群算法的上升段交会弹道快速优化设计

基于梯度搜索的高效性和粒子群搜索的随机性,提出了一种混合粒子群算法,并应用该算法研究了运载火箭上升段交会弹道快速优化设计问题.以运载火箭与目标飞行器在交会时刻的距离最小为目标函数,设计了运载火箭飞行程序,建立了运载火箭上升段交会弹道优化模型,同时分别采用混合粒子群算法、遗传算法和粒子群算法进行求解.仿真结果表明:基于本文算法对运载火箭上升段交会弹道进行优化设计,平均交会位置误差为4.137m,较遗传算法减少了17.940m,平均优化耗时488.922s,较粒子群算法缩短了2342.125s.混合粒子群算法搜索速度较快,收敛精度较高,可用于运载火箭上升段交会弹道的快速优化设计.      

航天器交会远程快速自主制导方法

针对近地近圆轨道航天器交会任务,设计了基于经典轨道要素的远程快速自主制导算法.对于任意初始纬度幅角偏差的远程导引,通过建立纬度幅角偏差与半长轴偏差的关系,将远程导引段分为初始轨道飞行、调相轨道飞行和调整轨道飞行3个阶段.初始轨道飞行进行轨道共面修正和调相机动;在调相轨道飞行期间,进行自然调相以及调相轨道到调整轨道的机动;调整轨道飞行阶段进行追踪航天器的远地点高度和近地点高度的修正,以及再次共面修正.所有变轨机动都以制导脉冲的形式给出,并都在轨道特殊点执行.精确轨道仿真验证了远程快速自主接近制导算法的可行性.     

粒子滤波及其在航天器交会对接相对导航中的应用

在全面分析粒子滤波原理的基础上,提出一种改进高斯粒子滤波方法.该方法利用确定性采样滤波算法进行时间更新,替代高斯粒子滤波算法中的随机采样过程;另外,针对厚尾噪声情况,利用鲁棒统计方法对确定性采样滤波方法进行鲁棒性改进,并将其应用于所提出的改进高斯粒子滤波.将粒子滤波算法应用于交会对接相对导航问题,仿真结果表明,在多种测量噪声情况下,改进高斯粒子滤波较其他粒子滤波,能够在不过多损失估计精度的同时有效降低计算量.文中的研究成果为将粒子滤波应用于航天器导航问题提供了理论参考.     

对接口匹配的航天器双主动最优交会研究

研究了两航天器协同轨道机动（双主动）完成近距离交会任务的最优控制问题。在考虑航天器姿态变化、对接口位置及路径约束的情况下,构建了完整的6自由度、26状态的双主动最优交会数学模型。利用高斯伪谱法分别将燃料总消耗最少和交会时间最短两种最优问题离散为大型非线性规划问题,而后应用SNOPT软件包进行了求解。在此基础上通过大量数值计算分析总结了不同初始参数对最小燃料消耗和最短交会时间的影响规律,并与主被动交会形式进行了对比。结果表明,当两航天器质量接近时,双主动交会通常可明显减少燃料消耗,或缩短交会时间;而当质量差距较大时,双主动最优交会逐渐退化为主被动最优交会。