航天器轨道机动可达范围与轨道优化研究

摘要

伴随着空间技术突飞猛进的发展,越来越多的人们把目光聚焦到了外部空间中,各个国家都在大力开展对外部空间资源的积极利用,为了争夺和控制有限的外部空间资源,不可避免地会产生空间对抗。而在空间对抗的过程中,要求航天器具有大范围的快速轨道机动能力,这样才能确保占领军事与科技的制高点。除了考虑战争背景,在人类对空间的探索过程中,轨道机动技术也发挥着无可替代的作用,比如对卫星的在轨维修、在轨加注、应急救援等一系列操作都会涉及到轨道机动技术。同时,以燃料最优或者时间最优作为优化指标的轨道优化技术,会在最大程度上发挥航天器的作用。
　　本文在考虑摄动因素(地球扁率、大气阻力)影响下,经过数值计算的方式得到了航天器在脉冲以及连续有限推力作用下航天器的轨道机动的可达范围,包括绝对可达范围以及相对可达范围,这为轨道优化设计提供了一定的理论基础。最后针对大倾角轨道改变这一轨道机动过程进行优化,以时间最优作为优化指标,得出了航天器的运行轨迹以及其他相关参数信息。
　　针对航天器绝对可达范围问题,即航天器轨道要素的变化情况,本文采用数值计算的方式,分别计算脉冲以及连续有限推力作用下航天器的绝对可达范围,并与通过高斯方程分析出的结果进行对比,验证数值计算的准确性以及高斯方程在轨道运动学上的应用效果,同时计算了双脉冲对轨道要素改变的影响。
　　针对航天器相对可达范围的问题,即两航天器间距离的变化情况,本文同样采用了数值计算的方法进行计算,得出了在脉冲以及连续有限推力作用下两航天器的相对可达范围。
　　针对轨道优化设计问题,本文结合大倾角轨道机动的实例,运用混合法以及高斯伪谱方法,结合相应的非线性规划算法进行优化设计,最终获得了和极小值原理一致的解。验证了高斯伪谱方法作为一种新出现的理论,在不需要横截条件的情况下,其解决轨道优化问题的能力。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景

1.2航天器轨道机动研究现状

1.3轨道机动方式的研究现状

1.4本文主要研究工作

第2章 航天器运动学建模

2.1引言

2.2相关空间坐标系定义

2.3坐标系间的转换

2.4状态转移矩阵表示的相对运动状态

2.5摄动影响下的航天器相对运动

2.6本章小结

第3章 航天器绝对可达范围

3.1引言

3.2航天器绝对信息和轨道要素转化关系

3.3高斯扰动方程

3.4绝对可达区域理论分析

3.5 脉冲作用下绝对可达区域数值计算

3.6连续有限推力作用下航天器的绝对可达范围

3.7本章小结

第4章 航天器相对可达范围

4.1引言

4.2航天器相对可达范围理论分析

4.3脉冲作用下航天器的相对可达范围

4.4连续有限推力作用下的相对可达范围

4.5本章小结

第5章 连续有限推力下的轨道优化设计

5.1引言

5.2航天器轨迹优化模型

5.3 混合法原理

5.4高斯伪谱方法

5.5轨道优化实例

5.6本章小结

结论

参考文献

声明

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