星座燃料补给问题的轨道优化方法研究

摘要

基于伴飞模式的星座燃料补给设想突破了传统的基于交会对接技术的单一燃料补给模式，给未来空间在轨燃料补给提供了新的思路。然而，对于异面星座的燃料补给任务，面临着机动耗能高、任务规划难等一系列技术难题，本文旨在解决基于伴飞模式的异面星座燃料补给过程中补给轨道的设计与优化以及补给任务的规划问题，主要研究工作如下：
　　1.确定补给星大范围机动的逼近策略：推导出一般意义下非共面圆轨道之间的最优双共切线转移轨道，通过对两种常用逼近策略的定量对比，确定出补给星的最优逼近策略。
　　2.设计了对异面星座进行燃料补给的补给星轨道：在确定出补给星最优的逼近策略后，本文设计了补给星在补给任务过程中的轨道。
　　3.建立异面星座燃料补给顺序的数学模型：用最小速度增量指标代替最优的燃料消耗。通过对补给星在任务过程中必要的机动所需要的速度增量进行分析，将整个任务过程所需要的总的速度增量用异面变轨所需要的速度增量近似代替，把每个轨道面看作平面内的一个点，两点之间连线的权值为两轨道变换所需要的速度增量，可以得到一个赋权完备图，在图中求出一条最小权值的哈密顿圈，即求解旅行商问题，可以得到最优的补给顺序。
　　4.解决了单颗补给星补给能力有限的问题：提出了对异面星座的多补给星补给策略。文中将多颗补给星的任务规划问题归结为多旅行商问题，幷给出了三个性能指标。
　　5.建立了补给星燃料利用率的优化模型：利用带约束的遗传算法对补给星机动过程中消耗的燃料质量以及每次转移给工作星的燃料质量进行优化求解，得到了最优的燃料利用率。

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第一章 绪论

1.1 论文的研究背景

1.2 研究的重要性和目的

1.3 国内外研究现状

1.4 主要解决的问题和取得成果

1.5 主要内容安排

第二章 伴飞模式星座燃料补给的基础知识

2.1 坐标系

2.2 已知位置速度矢量求轨道根数

2.3 已知轨道根数求位置速度矢量

2.4 伴飞星座燃料补给的轨道机动方法

2.5 编队飞行

2.6 本章小结

第三章 伴飞模式的共面星座燃料补给

3.1 共面星座燃料补给的规划

3.2 补给轨道设计

3.3 燃料利用率的优化

3.4 算例及分析

3.5 本章小结

第四章 伴飞模式单补给星异面星座燃料补给

4.1 补给星逼近策略

4.2 单补给星异面星座补给轨道设计

4.3 补给顺序的规划

4.4 单补给星异面星座燃料利用率优化模型的建立与求解

4.5 数值仿真与分析

4.6 本章小结

第五章 伴飞模式大规模异面星座多补给星任务规划

5.1 补给规划

5.2 每个H圈补给星燃料利用率的优化

5.3 数值仿真与分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文