航天器交会对接导引方法研究

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根据我国载人航天发展“三步走”战略规划，要求在2010年前后突破交会对接技术，为“载人三期”建立长期有人照料的空间站打下坚实的基础。本论文旨在对航天器交会对接策略规划、远程导引轨迹优化、以及近距离相对运动描述与控制策略等技术题目进行研究，着重从交会对接过程的快速性和精确性考虑，为我国载人航天工程第三步空间站在轨营救、快速补给与维护等任务的方案设计提供有益的参考。具体来说，本论文的研究内容包括以下几个方面：针对远程导引的策略题目总结了几种典型Lambert求解算法的特点；经过给定空间固定两点的任意圆锥曲线，其偏心率矢量在平行于两点弦长方向上的分量为常值，而沿垂直于这两点连线方向上的偏心率分量可以确定这条圆锥曲线，该垂直分量称为横向偏心率。根据这一特性，本文提出了基于横向偏心率的多圈Lambert题目的求解方法，并对该方法在椭圆、抛物线和双曲线轨迹下的适用性进行了分析；通过推导转移时间相对横向偏心率的导数的解析表达式，有效地提高了Lambert题目的求解效率。在考虑地球主要摄动因素下，本文研究了Lambert转移的优化题目，并将其用于航天器快速交会对接的远程导引段。首先，以二体模型为基础，通过权衡轨道交会所需的时间与航天器自身所携带燃料的关系，在给定的转移时间范围内以燃料最省为目标函数，采用优化算法对Lambert机动题目进行寻优；将第一次寻优用于完成轨道机动所需的速度增量转换成航天器发动机有限推力下的时间序列；最后，在考虑地球主要摄动影响下，再次采用优化算法对有限推力工作时段进行边值修正，以确保航天器能够在规定的时间内转移至目标位置范围内。远程快速轨道机动轨迹规划任务的完成依赖于高效、稳定的优化算法体系。本文所建立的优化算法体系包括了改进的遗传算法、蚁群算法以及基于帐篷映射的混沌粒子群算法。本文的优化算法体系在借鉴他人研究成果的基础上，对各类算法优缺点进行认真分析，系统清晰地梳理各优化算法结构，对其作出相应改进，从而提高搜索效率、加快收敛速度，为轨道设计提供了强有力的数学寻优搜索工具。通过借鉴地球静止轨道卫星南北及东西控制的概念，定义了一套用于描述航天器近距离相对运动的相对轨道要素，并在此基础上研究了航天器近距离相对运动构型设计方案；在脉冲机动假设的前提下，利用基于相对轨道要素的运动方程和机动方程，给出了航天器近距离相对运动的导引策略。基于相对轨道要素的控制方法，航天器完成一次近距离相对导引所用的时间最短为一个轨道周期，并且一般来说它可以由一次平面外控制和三次平面内迹向控制组成。对航天器卫星群编队飞行体系当中，队形、重构、避撞任务的设计、仿真与分析等技术题目进行了研究，建立相关题目的计算模型，梳理了对同一个编队任务进行上述各项内容分析的数据流向；并在此基础上以XML为数据存储格式、以OpenInventor为三维显示技术，开发了一套集辅助设计、模型仿真、结果分析、人机交互为一体分布式卫星体系仿真系统；该软件提供了准确的计算性能、友好的操作界面、安全良好的数据存储方式；通过该软件平台，实现了编队飞行任务规划的计算机化，达到为工程人员决策提供数据支持的目的。最后，为验证本论文所涉及控制方法的正确性和有效性，根据航天器交会对接任务，对交会对接过程的远程导引、近程寻的和最后接近三个阶段的飞行过程进行了仿真。