航天器可达区域分析及摄动影响下相对运动精确轨道控制

摘要

轨道机动技术在航天器的交会对接、轨道拦截、编队飞行等方面都有重要应用。本文以航天器的快速轨道机动能力为研究对象，分析了航天器在给定变轨能力约束下的绝对和相对可达区域，给出了摄动椭圆参考轨道上的精确制导方法，并且基于冲量变轨的方式实现了连续推力作用下的交会制导策略。
　　相对运动学建模。为描述椭圆轨道上的相对运动，介绍了状态转移矩阵描述的相对运动方程。考虑到地球形状和大气阻力摄动对相对运动的影响，应用拉格朗日方程，建立了2J项摄动和大气阻力摄动下椭圆参考轨道上的非线性相对运动方程，并与基于惯性坐标系下的原始运动方程的导出状态进行对比，仿真结果表明本文所建立的运动方程可以精确描述两航天器间的相对运动。
　　给定变轨能力下航天器的绝对可达区域分析。介绍了高斯方程以及无奇点的高斯方程，根据高斯方程分析了各轨道要素分别取最值时推力的作用方向和作用位置；通过数值计算分别确定了在脉冲推力和连续推力作用下各轨道要素的最值及此时推力的作用方向和作用位置，与理论分析得出的结果进行对比分析，验证了应用高斯方程分析得出的航天器绝对可达区域的确定方法是正确的。
　　给定变轨能力下航天器的相对可达区域分析。利用状态转移矩阵描述的相对运动方程分析了航天器相对于空间平台的距离最大时脉冲推力的作用方向；在给定的时间约束内，通过数值计算分别确定了在脉冲推力和连续推力作用下，航天器相对于平台的最大距离及此时推力的作用方向，并与解析方法得到的推力方向进行对比，验证了该方法的正确性。
　　摄动椭圆参考轨道上的精确制导方法。以含有2J项摄动和大气阻力摄动的非线性相对运动方程进行轨道预报，用来对制导的终端误差进行估计，给出了可以实现精确交会的初始速度脉冲的优化方法；对双脉冲交会的转移时间进行寻优，得到了燃料最优的双脉冲制导方法；分析了双脉冲矩阵求解的奇异情况，给出了奇异点处的交会制导方法。基于冲量变轨的方式实现了连续推力作用下的交会制导策略。通过数值仿真验证了本文所给方法是可行的。

目录

航天器可达区域分析及摄动影响下相对运动精确轨道控制

ANALYSIS OF REACHABLE DOMAIN OFSPACECRAFT AND ACCURATE ORBIT CONTROLOF RELATIVE MOTION WITH PERTURBATION

摘要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 论文的研究背景

1.2 轨道机动研究现状

1.3 给定变轨能力下的可达区域分析的研究现状

1.4 空间交会制导方法的研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 相对运动学建模

2.1 引言

2.2 空间坐标系

2.3 状态转移矩阵描述的相对运动方程

2.4 摄动椭圆参考轨道上的相对运动方程

2.5 本章小结

第3章 给定变轨能力下航天器的绝对可达区域分析

3.1 引言

3.2 航天器轨道要素与绝对信息的相互转化

3.3 高斯方程

3.4 给定变轨能力下绝对可达区域分析

3.5 脉冲推力约束下绝对可达区域的数值计算

3.6 连续推力约束下绝对可达区域的数值计算

3.7 本章小结

第4章 给定变轨能力下航天器的相对可达区域分析

4.1 引言

4.2 给定变轨能力下相对可达区域分析

4.3 时间约束、脉冲推力约束下相对可达区域的数值计算

4.4 时间约束、连续推力约束下相对可达区域的数值计算

4.5 本章小结

第5章 摄动椭圆参考轨道上的精确制导方法

5.1 引言

5.2 环境摄动力作用下的最优双脉冲制导方法

5.3 连续推力作用下的交会制导策略

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢