（航空宇航科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）空間交會遠程導(dǎo)引變軌任務(wù)規(guī)劃.pdf

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院t 學(xué)碩+ 學(xué)位論文 摘要 交會對接技術(shù)是我國載人航天工程二期需要掌握的關(guān)鍵技術(shù)，遠程導(dǎo)引變軌 任務(wù)規(guī)劃是交會對接軌道設(shè)計與控制的關(guān)鍵問題之一。本文以解決遠程導(dǎo)引軌道 設(shè)計與控制問題為目的，系統(tǒng)研究了遠程導(dǎo)引變軌任務(wù)事前規(guī)劃、實時規(guī)劃及軌 道重構(gòu)規(guī)劃問題，主要研究成果如下： 研究了考慮工程實際約束的遠程導(dǎo)引變軌任務(wù)事前規(guī)劃策略。1 ) 根據(jù)g a u s s 攝動方程特性制定了特殊點變軌方案，通過對設(shè)計變量進行分組，提出了粗求解 器與細求解器組合的簡單迭代求解策略；2 ) 基于近圓偏差線性方程提出了綜合變 軌兩層規(guī)劃模型，上層問題采用了并行模擬退火算法與序n - - 次規(guī)劃算法相結(jié)合 的混合求解策略，下層問題使用了基于可行域最速下降的線性迭代求解策略；3 ) 通過將軌道圓化機動執(zhí)行位置增加為設(shè)計變量，制定了修正特殊點變軌方案，并 提出了兩種不同的求解策略，包括非線性數(shù)值規(guī)劃求解策略和基于近圓偏差線性 方程非線性解的迭代求解策略。通過對攝動軌道遠程導(dǎo)引問題的求解，測試和驗 證了提出的三種事前規(guī)劃策略。 研究了減小軌道偏差影響的遠程導(dǎo)引變軌任務(wù)實時規(guī)劃策略。1 ) 應(yīng)用試驗設(shè) 計方法分析了遠程導(dǎo)引主要誤差影響的敏感度，并使用近圓偏差線性方程對分析 結(jié)果進行了解釋；2 ) 根據(jù)誤差對終端條件的影響關(guān)系及各變軌方案的特點，制定 了特殊點變軌實時規(guī)劃方案并提出了簡單迭代求解策略，制定了綜合變軌實時規(guī) 劃方案并提出了線性迭代求解策略，制定了修正特殊點變軌實時規(guī)劃方案并提出 了基于線性迭代和非線性數(shù)值規(guī)劃的求解策略；3 ) 采用m o n t ec a r l o 仿真分析了 綜合變軌和修正特殊點變軌在誤差影響下的終端精度。仿真結(jié)果表明根據(jù)設(shè)計的 實時規(guī)劃策略，兩種變軌策略均可獲得較高的終端精度，綜合變軌終端相對位置 精度與修正特殊點變軌相近，終端相對速度精度略好于修正特殊點變軌。 研究了遠程導(dǎo)引變軌故障后軌道重構(gòu)規(guī)劃策略。1 ) 分析了遠程導(dǎo)引變軌故障 后軌道重構(gòu)的主要約束條件，提出了軌道重構(gòu)設(shè)計原則；2 ) 對無推力方向限制的 重構(gòu)任務(wù)提出了基于多圈l a m b e r t 交會算法的迭代求解策略，對有推力方向限制的 重構(gòu)任務(wù)提出了基于相位估計的非線性數(shù)值規(guī)劃求解策略。通過對一個發(fā)動機開 啟關(guān)閉故障后軌道重構(gòu)問題的求解，測試和驗證了提出的求解策略。 開發(fā)了遠程導(dǎo)引變軌任務(wù)規(guī)劃軟件。根據(jù)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想，采用標(biāo) 準(zhǔn)c + + 語言編碼，在v i s u a lc + + 6 0 環(huán)境下開發(fā)了集成論文研究成果的遠程導(dǎo)引變 軌任務(wù)規(guī)劃軟件。 論文的研究從遠程導(dǎo)引問題本身特性出發(fā)，根據(jù)變軌任務(wù)事前規(guī)劃、實時規(guī) 劃和變軌故障后軌道重構(gòu)規(guī)劃特點，提出了系統(tǒng)的求解策略。論文的研究成果具 第i 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院t 學(xué)碩十學(xué)位論文 有一定的理論和實踐價值，在我國載人航天二期交會塒接軌道方案設(shè)計中得到了 較充分的應(yīng)用。 主題詞：交會對接；載人航天；遠程導(dǎo)引；軌道機動；實時規(guī)劃；故障；規(guī) 劃軟件 第i i 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院t 學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t r e n d e z v o u sa n dd o c k i n gt e c h n o l o g yi sak e yt e c h n o l o g yf o rt h es e c o n ds t e po f c h i n am a n n e ds p a c e f i g h tp r o j e c t t h em i s s i o np l a nf o rp h a s i n gm a n e u v e r si sac r i t i c a l p r o b l e mo fr e n d e z v o u st r a j e c t o r yd e s i g na n dc o n t r 0 1 f o rt h ep u r p o s eo fs o l v i n gt h e p h a s i n gt r a j e c t o r yd e s i g na n dc o n t r o lp r o b l e m ，t h i sd i s s e r t a t i o n s t u d i e sp h a s i n g m a n e u v e rm i s s i o np r e f l i g h tp l a n n i n gp r o b l e m ，r e a l t i m ep l a n n i n gp r o b l e ma n do r b i t a l r e c o n f i g u r i n gp l a n n i n gp r o b l e m t h em a i nr e s u l t sa c h i e v e di nt h i sd i s s e r t a t i o na r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s t h ep h a s i n gm a n e u v e rm i s s i o n p r e f l i g h tp l a n n i n gs t r a t e g i e so r i e n t e dt o e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na r es t u d i e d 1 ) t h es p e c i a l p o i n tm a n e u v e r s p r o g r a mi s d e s i g n e db a s e do ng a u s s i a nf o r mp e r t u r b e de q u a t i o n so fm o t i o n a n das i m p l ei t e r a t i v e s o l v i n gm e t h o dc o m b i n i n gar o u g hs o l v e ra n da na c c u r a t es o l v e ri s p r o p o s e db y d i v i d i n gt h ed e s i g nv a r i a b l e si n t os e v e r a lg r o u p s ；2 ) ab i 1 e v e ln o n l i n e a rp r o g r a m m i n g m o d e lf o rc o m b i n e dm a n e u v e r sb a s e do nl i n e a rd e v i a t i o ne q u a t i o n so nn e i g h b o n n g c i r c u l a ro r b i t si sf o r m u l a t e d t h eh i g h e r 1 e v e lp r o b l e mi ss o l v e db ye m p l o y i n ga h y b r i d a p p r o a c hc o m b i n i n gt h ep a r a l l e ls i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h ma n dt h es e q u e n t i a l q u a d r a t i cp r o g r a m m i n ga l g o r i t h m ，a n dt h el o w e r - l e v e lp r o b l e mi ss o l v e du s i n gt h e l i n e a ri t e r a t i o nm e t h o db a s e do nf e a s i b l es t e e p e s td e s c e n ta l g o r i t h m ；3 1t h em o d i f i e d s p e c i a l 。p o i n tm a n e u v e r s p r o g r a mi sp r o p o s e db ya d d i n gt h el o c a t i o no ft h e c i r c u l a r i z i n gm a n e u v e ra s t h ed e s i g nv a r i a b l e ，a n dt w od i f f e r e n ts o l v i n gm e t h o d s i n c l u d i n gt h en o n l i n e a rp r o g r a m m i n gm e t h o da n dt h em e t h o db a s e do nt h ei t e r a t i o no f l i n e a rd e v i a t i o ne q u a t i o n s n o n l i n e a r p r e f l i g h tp l a n n i n gs t r a t e g i e sa r et e s t i f i e d p r o b l e m s o l u t i o na r ep r o p o s e d t h ep r o p o s e dt h r e e a n dv a l i d a t e db ys o l v i n gt h ep e r t u r b e dp h a s i n g t h ep h a s i n gm a n e u v e rm i s s i o nr e a l t i m ep l a n n i n gs t r a t e g i e sf o rr e d u c i n gt h e t r a j e c t o r yd e v i a t i o n s i n f l u e n c ea r es t u d i e d 1 ) t h es e n s i t i v i t yo ft h em a i ne r r o r s a f f e c t i n gp h a s i n gt r a j e c t o r yi sa n a l y z e du s i n ge x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d ，a n dt h e r e s u l ti se x p l a i n e db yl i n e a rd e v i a t i o ne q u a t i o n s ；2 1b a s e do nt h em a n e u v e rp r o g r a m s c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne r r o r sa n dt e r m i n a ip r e c i s i o n t h r e ed i f f e r e n t r e a l t i m ep l a n n i n gs t r a t e g i e sa r ef o r m u l a t e dr e s p e c t i v e l y t h es i m p l ei t e r a t i v es o l v i n g m e t h o di sp r o p o s e df o rs p e c i a l - p o i n tm a n e u v e r s ，a n dt h el i n e a ri t e r a t i v es o l v i n gm e t h o d i sp r o p o s e df o rc o m b i n e dm a n e u v e r s ，w h i l et h e s o l v i n gm e t h o dc o m b i n i n gl i n e a r i t e r a t i o na n dn o n l i n e a rp r o g r a m m i n gi sp r o p o s e df o rm o d i f i e ds p e c i a l - p o i n tm a n e u v e r s ； 3 ) t h ep r e c i s i o no fc o m b i n e dm a n e u v e r sa n dm o d i f i e ds p e c i a l p o i n tm a n e u v e r su n d e r r e a l - t i m ep l a n n i n gs t r a t e g i e si se v a l u a t e db ym o n t ec a r l os i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w t h a tg o o dt e r m i n a lp r e c i s i o nc a nb ea c h i e v e db a s e do nt h ed e s i g n e dr e a l t i m ep l a n n i n g s t r a t e g i e s c o m p a r e dw i t hm o d i f i e ds p e c i a l p o i n tm a n e u v e r s ，c o m b i n e dm a n e u v e r s 第i i i 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 n a v es i m i l a rt e r m i n a lp o s m o n p r e c i s i o na n db e t t e rt e r m i n a lv e l o c i t yp r e c i s i o n t h e p h a s i n go r b i t a lr e c o n f i g u r i n gp l a n n i n gs t r a t e g i e sa f t e rm a n e u v e rf a i l u r e a r es t u d i e d 1 ) t h em a i nc o n s t r a i n t sa f f e c t i n gt h ep h a s i n go r b i t a lr e c o n f i g u r i n ga re a n a l y z e d ，a n dt h ed e s i g n i n gr e g u l a t i o n sf o ro r b i t a lr e c o n f i g u r i n ga l ep r o p o s e d ；2 ) t h e i t e r a t i v es o l v i n gm e t h o db a s e do nm u l t i p l e - r e v o l u t i o nl a m b e r tr e n d e z v o u sa l g o r i t h mi s p r o p o s e df o ro r b i t a lr e c o n f l g u r i n gw h i c hh a sn oc o n s t r a i n t so ft h r u s td i r e c t i o n ，w h i l et h e n o n l i n e a rp r o g r a m m i n gs o l v i n gm e t h o db a s e do n p h a s ea n g l ee s t i m a t i n gi sp r o p o s e df o r o r b i t a lr e c o n f i g u r i n gw h i c hh a st h ec o n s t r a i n t so ft h r u s td i r e c t i o n n e p r o p o s e ds o l v i n g m e t h o d sa r et e s t i f i e da n dv a l i d a t e db y s o l v i n ga no r b i t a lr e c o n f i g u r i n gp r o b l e ma f t e rt h e t h r u s t e ro p e n c l o s ef a i l u r e a p h a s i n gm a n e u v e rm i s s i o np l a n n i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h e o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o d o l o g y ，t h ep h a s i n gm a n e u v e rm i s s i o np l a n n i n gs o f t w a r ew h i c h i n t e g r a t e st h ea c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v e l o p e d t h es o f t w a r ei sc o d e db v s t a n d a r dc + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dd e v e l o p e di nv i s u a lc + + 6 0 t h es t u d yi sb a s e do nt h et r a i t so fr e n d e z v o u sp h a s i n gp r o b l e m t h es y s t e m a t i c s o l v i n gm e t h o d sa r ep r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r e f l i g h tp l a n n i n g p r o b l e m ，r e a l - t i m ep l a n n i n gp r o b l e ma n do r b i t a lr e c o n f i g u r i n gp l a n n i n gp r o b l e m t h e a c h i e v e m e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na t e v a l u a b l eb o t hi nt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n d o p e r a t i o n a la p p l i c a t i o n ，a n da r eu s e di nt h et r a j e c t o r yd e s i g no fr e n d e z v o u sa n dd o c k i n g f o r t h es e c o n ds t e po fc h i n am a n n e ds p a c e f l i g h tp r o j e c t k e yw o r d s ：r e n d e z v o u sa n dd o c k i n g ；m a n n e ds p a c e f l i g h t ；p h a s i n g ； 0 r b i t a lm a n e u v e r ；r e a l t i m ep l a n ；f a i l u r e ；p l a n n i n gs o f t w a r e - 一一 第i v 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院t 學(xué)碩+ 學(xué)位論文 表 目錄 表3 1 特殊點變軌規(guī)劃結(jié)果3 3 表3 2 優(yōu)化變量尋優(yōu)范圍3 8 表3 3 綜合變軌規(guī)劃結(jié)果3 8 表3 4 修正特殊點變軌規(guī)劃結(jié)果4 4 表4 1 追蹤航天器導(dǎo)航誤差影響正交試驗仿真結(jié)果5 2 表4 2 追蹤航天器導(dǎo)航誤差影響終端跡向相對位置誤差統(tǒng)計結(jié)果5 3 表4 3 追蹤航天器導(dǎo)航誤差影響下終端相對位置速度均方差5 3 表4 4 控制誤差影響正交試驗仿真結(jié)果5 4 表4 5 控制誤差影響下終端相對位置速度均方差5 4 表4 6 特殊點變軌實時規(guī)劃方案5 6 表4 7 綜合變軌實時規(guī)劃方案o 5 7 表4 8 修正特殊點變軌實時規(guī)劃方案5 8 表4 9 綜合變軌標(biāo)稱變軌序列6 0 表4 1 0 修正特殊點變軌標(biāo)稱變軌序列一6 0 表4 11 終端相對位置速度均方差一6 0 表5 1 軌道重構(gòu)規(guī)劃結(jié)果6 9 第1 v 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院t 學(xué)碩十學(xué)位論文 圖1 1 圖1 2 圖1 3 圖1 4 圖2 1 圖2 2 圖3 1 圖3 2 圖3 3 圖3 4 圖3 5 圖3 6 圖3 7 圖3 8 圖3 9 圖3 1 0 圖3 1 1 圖 圖 圖 圖 圖3 1 6 圖3 1 7 圖3 1 0 圖3 1 1 圖4 1 圖4 2 圖4 3 圖4 4 圖5 1 圖5 2 圖目錄 交會對接過程1 美國航天飛機遠程導(dǎo)引變軌過程9 俄羅斯聯(lián)盟進步飛船遠程導(dǎo)引變軌過程1 0 阿波羅月球軌道交會過程。l l 軌道極坐標(biāo)系仉一r o z 16 航天器當(dāng)?shù)剀壍雷鴺?biāo)系0 一x y z 1 6 遠程導(dǎo)引特殊點變軌過程2 9 特殊點變軌迭代求解流程3 2 特殊點變軌面內(nèi)相對運動軌跡3 3 特殊點變軌相位角變化過程。3 3 特殊點變軌相對距離變化過程3 4 特殊點變軌相對速度變化過程。3 4 特殊點變軌追蹤航天器半長軸變化過程3 4 特殊點變軌追蹤航天器偏心率變化過程3 4 綜合變軌兩層規(guī)劃策略下層計算流程3 7 綜合變軌面內(nèi)相對運動軌跡3 9 綜合變軌相位角變化過程3 9 綜合變軌相對距離變化過程3 9 綜合變軌相對速度變化過程3 9 綜合變軌追蹤航天器半長軸變化過程3 9 綜合變軌追蹤航天器偏心率變化過程3 9 總速度增量與初始升交點赤經(jīng)差的變化關(guān)系4 0 總速度增量與初始軌道傾角差的變化關(guān)系4 0 修正特殊點變軌迭代流程4 3 三跡向沖量且其中一個執(zhí)行位置可變面內(nèi)交會問題解的情況4 4 實時規(guī)劃應(yīng)用過程5 5 終端面內(nèi)相對位置誤差分布_ 6 0 終端面內(nèi)相對速度誤差分布6 0 兩跡向沖量且執(zhí)行位置可變面內(nèi)交會問題的無解情況一6 1 追蹤航天器半長軸變化過程。6 7 相位角變化過程6 7 第v 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 圖5 3 軌道重構(gòu)相位角變化過程6 9 圖5 4 軌道重構(gòu)追蹤航天器半長軸變化過程6 9 圖6 1變軌任務(wù)規(guī)劃軟件模塊結(jié)構(gòu)圖7 2 圖6 2 變軌任務(wù)規(guī)劃軟件核心類關(guān)系圖7 3 圖6 3 變軌任務(wù)規(guī)劃軟件源代碼文件。7 5 圖6 4 變軌任務(wù)規(guī)劃軟件主界面7 6 圖6 5 變軌任務(wù)規(guī)劃軟件任務(wù)配置界面7 6 圖6 6 變軌任務(wù)規(guī)劃軟件結(jié)果報告界面。7 6 圖6 7 變軌任務(wù)規(guī)劃軟件曲線查看界面7 7 第v i 頁 獨創(chuàng)性聲明 本人，舅明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究 ：作及取得 的研究成黑。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包舍 其他人已鳧發(fā)表和撰寫過的研究成果，也不包合兩獲得圓防科學(xué)犢術(shù)大學(xué)戒共事： 教甯機擒爵學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一闊工作的同志對拳研究所做的任 何貢獻均已在論文巾作了明確的說明并表示謝意。 學(xué)位雜文題艮窒悶塞金遣壁曼黝塞孰堡愛趣毀 學(xué)位爸文作者簽名：螽絲羹絲 f ! j 期： 盔棚辱月 尊 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人箋全了解閉防科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)保留，使用學(xué)位滄文的規(guī)定術(shù)_ _ 、授權(quán) 圓防科學(xué)搜術(shù)大學(xué)可以保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)遞交論文的復(fù)印件和電子 文檔，允評論文被查闋和借閔；可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)攆 犀避行檢索，叮以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 l 鐮諾學(xué)位論衰在解密后適用本授權(quán)書。) 學(xué)俊靜突題躕：燕趣塞壘運。壁量凰墓獺 鴦規(guī)劃一， 學(xué)位論寵作學(xué)簽名：一礁一。套墼一 簪考鞘刪辯、塑避一 日期：參搿每j = ! 暖 礙瓤i 藿2 婚罱瀚蹦列l(wèi) 霉舅 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院丁學(xué)碩十學(xué)位論文 1 1 1 交會對接技術(shù) 第一章緒論弟一早三百下匕 1 1 研究背景 交會對接( r e n d e z v o u sa n dd o c k i n g ，r v d ) 技術(shù)是指兩個航天器( 目標(biāo)航天器 與追蹤航天器) 于同一時間在軌道同一位置以相同速度相會合并在結(jié)構(gòu)上連成一 個整體的技術(shù)i l 5 j 。目標(biāo)航天器( t a r g e tv e h i c l e ) ，也稱被動航天器( p a s s i v ev e h i c l e ) 一般不進行軌道機動；追蹤航天器( c h a s ev e h i c l e p u r s u i tv e h i c l e ) ，也稱主動航天 器( a c t i v ev e h i c l e ) 執(zhí)行一系列的軌道機動，與目標(biāo)航天器在軌道上按預(yù)定位置和時 間相會。如圖1 1 所示，從追蹤航天器入軌開始，交會對接過程一般可分為遠程導(dǎo) 引、近程導(dǎo)引、平移靠攏和對接等階段。 h v b a r ( 向前)一靠攏段r ：1 也任1 r 引儀7 一地任哥l 雙p一反射 i 1 目標(biāo)17 。 颮：陀 航天器 ； 白+ 執(zhí)幽l 、。 + r - b a r 1 ii 黼。l l i 飛入l i y， ( 指向地心) 圖1 1 交會對接過程 1 1 - 2 交會對接工程實踐發(fā)展概況 自2 0 世紀(jì)6 0 年代以來，美、俄羅斯( 前蘇聯(lián)) 已經(jīng)進行了2 0 0 多次交會對 接。2 0 世紀(jì)8 0 年代，載人航天發(fā)展到實用階段。長期載人空間站和深空探測的蓬 勃發(fā)展都強烈地促進交會對接技術(shù)向更高水平，向自主和自動方向發(fā)展。除了美 國和俄羅斯繼續(xù)大力發(fā)展交會對接技術(shù)外，歐洲和日本也在積極開展交會對接技 術(shù)的研究工作。 1 1 2 1 美國交會對接發(fā)展概況 美國的交會對接首先在雙子星座( g e m i n i ) 飛船6 號與7 號之間完成【6 。3 1 ，為 阿波羅( a p o l l o ) 月球軌道交會【9 。1 1 】打下技術(shù)基礎(chǔ)，其交會對接技術(shù)在阿波羅登月、 天空實驗室( s k y l a b ) 、航天飛機( s p a c es h u t t l e ) 的衛(wèi)星維修任務(wù)、航天飛機與 和平號空間站( m i ro r b i t a lc o m p l e x ) 的對接、航天飛機與國際空間站( i n t e m a t i o n a l 第1 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩士學(xué)位論文 s p a c es t a t i o n ，i s s ) 的對接等任務(wù)中得到不斷發(fā)展。最近美國著力發(fā)展自動交會 對接技術(shù)，包括自動交會技術(shù)驗證1 1 2 j ( d e m o n s t r a t i o no fa u t o n o m o u sr e n d e z v o u s t e c h n o l o g y ，d a r t ) 、試驗衛(wèi)星系統(tǒng)i l 引( e x p e r i m e n t a ls a t e l l i t es y s t e m ，x s s ) 、 軌道快車【1 4 】( o r b i t a le x p r e s s ) 衛(wèi)星在軌服務(wù)演示的交會對接等，另外美國的交會 對接技術(shù)在現(xiàn)在重點研究的乘員探索飛行器i l 引( c r e we x p l o r a t i o nv e h i c l e ，c e v ) 項目中將得到進一步發(fā)展。 1 1 2 2 俄羅斯( 前蘇聯(lián)) 交會對接發(fā)展概況 俄羅斯( 前蘇聯(lián)) 的交會首先在東方3 號與東方4 號飛船之間實現(xiàn)，對接首 先在宇宙1 8 6 號與宇宙1 8 8 號之間完成【2 】，其交會對接技術(shù)在禮炮號系列空間站、 聯(lián)盟進步號( s o y u z p r o g r e s s ) 飛船與和平號空間站的交會對接、聯(lián)盟進步號飛船 與國際空間站的交會對接等任務(wù)中得到不斷發(fā)展。 1 1 2 3 歐洲交會對接發(fā)展概況 歐空局對交會對接技術(shù)的研究始于使神號( h e r m e s ) 航天飛機與哥倫布自由 飛行實驗室( c o l u m b u sf r e ef l y i n gl a b o r a t o r y ，c f f l ) 計劃i i 引，后因這兩項計劃 相繼取消而沒有成功實現(xiàn)。最近十幾年內(nèi)，歐空局對交會對接技術(shù)的研究主要體 現(xiàn)在自動轉(zhuǎn)移航天器( a u t o m a t e dt r a n s f e rv e h i c l e ，a t v ) 項目中，2 0 0 8 年4 月， a t v 成功與國際空間站對接【l7 。 1 1 2 4 日本交會對接發(fā)展概況 日本在工程試驗衛(wèi)星7 ( e n g i n e e r i n gt e s ts a t e l l i t e7 ，e t s 7 ) 中對自主交會對 接和空間機器人技術(shù)進行了驗證【2 j ，并在用于國際空間站補給的h i i 轉(zhuǎn)移航天器 ( h i it r a n s f e rv e h i c l e ) 項目中對其交會對接技術(shù)進行了深入研究【5 j 。 1 1 2 5 我國交會對接發(fā)展概況 2 0 世紀(jì)8 0 年代以來，我國眾多學(xué)者對交會對接任務(wù)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行了 深入廣泛的研究，但還未在工程實踐中成功實現(xiàn)交會對接。我國的交會對接技術(shù) 主要在載人航天工程中得到發(fā)展。1 9 9 2 年中國開始實施載人航天工程，1 9 9 9 年 1 1 月2 0 日，中國自主研制的第一艘載人試驗飛船神舟一號發(fā)射成功；2 0 0 3 年1 0 月1 5 日我國首位航天員楊利偉乘坐的神舟五號飛船發(fā)射升空，在軌運行2 1 小時 后于1 6 日安全返回地面，實現(xiàn)了我國載人航天歷史性的突破；2 0 0 5 年1 0 月1 2 日 神舟六號載人飛船成功發(fā)射，并于1 0 月1 7 日順利返回；2 0 0 8 年9 月2 7 日翟志剛 在神舟七號飛行任務(wù)中成功進行了航天員艙外活動試驗。 根據(jù)我國載人航天的近期發(fā)展規(guī)劃，我國首次交會對接試驗將在神舟八號飛 行任務(wù)中進行。不久的未來，我國將建立自己的空間實驗室和空間站，而交會對 接技術(shù)是完成這一目標(biāo)必須掌握的技術(shù)。 第2 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院t 學(xué)碩十學(xué)位論文 1 1 3 遠程導(dǎo)引段 遠程導(dǎo)引段，國際上通常稱為調(diào)相段【l 】( p h a s i n gs t a g e ) ，俄羅斯和國內(nèi)則稱 之為遠程導(dǎo)引段或地面導(dǎo)引段【2 3 l 。追蹤航天器在目標(biāo)軌道平面內(nèi)的投影與目標(biāo)航 天器位置矢量之間的夾角稱為相位角?！罢{(diào)相”指調(diào)整相位角，利用軌道高度較 低( 較高) 的航天器角速度較大( 較小) 的性質(zhì)，在適當(dāng)?shù)牡胤秸{(diào)整追蹤航天器 的軌道高度，可以調(diào)整相位角變化率，以在預(yù)定的時刻獲得期望的相位角。 在遠程導(dǎo)引段，追蹤航天器在地面測控( 或衛(wèi)星定位系統(tǒng)及中繼衛(wèi)星) 的支持 下，進行數(shù)次變軌，修正入軌時的軌道偏差，到達距離目標(biāo)航天器幾十千米處的 近程導(dǎo)引段初始位置。 含遠程導(dǎo)引段的交會方案較發(fā)射直接交會方案更有利于交會任務(wù)的成功，其 原因主要有以下幾方面： ( 1 ) 便于航天器狀態(tài)檢查及航天員身體狀態(tài)調(diào)整 追蹤航天器入軌后，需要進行自身狀態(tài)檢查，同時航天員剛經(jīng)歷了對身體影響 很大的發(fā)射段，需要時間調(diào)整身體狀態(tài)。航天器入軌后如果直接進行復(fù)雜的近程 交會對接操作，對航天員和航天器會有較高要求。 ( 2 ) 運載火箭性能要求相對較低 發(fā)射直接交會由于時間較短，變軌任務(wù)調(diào)整空間較小，對運載火箭的入軌誤差 非常敏感，對運載火箭的性能提出了較高要求；有了遠程導(dǎo)引段，有足夠的時間 對運載火箭的入軌誤差進行有效修正，因此對運載火箭入軌性能要求相對較低。 ( 3 ) 有利于獲得較高的軌道控制精度 在相對測量敏感器工作距離之外，軌道機動是基于地面測控進行的。在遠程 導(dǎo)引段每次變軌前可以有數(shù)圈的無機動弧段，有利于獲得較高的測量精度進而獲 得較高的軌道控制精度。 ( 4 ) 有利于近程導(dǎo)引段軌道方案的標(biāo)準(zhǔn)化 近程導(dǎo)引過程一般需要連續(xù)的測控弧段，而且船載測量敏感器在近程導(dǎo)引段 的工作需要一定的光照條件。遠程導(dǎo)引段時間相對較長，通過遠程導(dǎo)引段時間的 調(diào)整統(tǒng)一其終端條件，可以標(biāo)準(zhǔn)化近程導(dǎo)引段的測控、光照及初始相對狀態(tài)，進 而標(biāo)準(zhǔn)化近程導(dǎo)引軌道方案，有利于交會對接任務(wù)的成功。 ( 5 ) 追蹤航天器發(fā)射相位角范圍較大 直接發(fā)射交會對發(fā)射場與目標(biāo)航天器之間相位角要求較高，而遠程導(dǎo)引可以 有效調(diào)整相位角，發(fā)射時可行的相位角范圍相對較大。 由于上述原因，遠程導(dǎo)引段在對交會對接相關(guān)技術(shù)掌握還不成熟的情況下是必 要的。 第3 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩+ 學(xué)位論文 1 2 遠程導(dǎo)引變軌任務(wù)規(guī)劃 遠程導(dǎo)引變軌任務(wù)規(guī)劃問題在數(shù)學(xué)上是一個兩點邊值問題，其數(shù)學(xué)模型可以 表述為【1 8 】：在遠程導(dǎo)引過程中及終端的各種等式、不等式約束下，規(guī)劃變軌序列 ( 變軌次數(shù)、變軌點位置或變軌時刻、沖量方向和沖量大小或發(fā)動機開機時間) ， 使給定的性能指標(biāo)( 如最小推進劑消耗與最小時間等) 最優(yōu)，同時兩個航天器或其中 一個獲得期望的狀態(tài)( 包括位置速度及時刻) 。 1 2 - 1 工程實際約束條件 參考f e h s e 1 1 、j e z e w s k i t l 8 】和唐國金【5 1 等對于整個交會對接任務(wù)約束的論述，將 遠程導(dǎo)引段的工程實際約束條件總結(jié)如下。 1 2 1 1 初始條件 對近地交會任務(wù)，目標(biāo)航天器的初始軌道一般為兩天或三天回歸的近圓軌道； 追蹤航天器初始遠近地點高度受運載火箭能力限制；追蹤航天器相對目標(biāo)航天器 的初始相位角應(yīng)該在一個適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以避免進行較大的反向機動，恰當(dāng)?shù)某?始相位角可以通過交會任務(wù)前調(diào)整目標(biāo)航天器的軌道獲得。 1 2 1 2 終端條件 遠程導(dǎo)引段終端有兩種表述方式，一種稱為“初始瞄準(zhǔn)點”( i n i t i a la i mp o i n t ) ， 另一種稱為“進入走廊”( e n t r yg a t e ) 1 1 】。初始瞄準(zhǔn)點或進入走廊均要求追蹤航 天器進入一個近圓軌道，到達目標(biāo)航天器后下方或前上方幾十千米處。初始瞄準(zhǔn) 點要求追蹤航天器在預(yù)定時間達到指定的相對位置速度。進入走廊要求追蹤航天 器在進行末段交會之前的最后一個遠地點處，與目標(biāo)航天器間的相對位置速度在 一定范圍內(nèi)。 初始瞄準(zhǔn)點或進入走廊相對目標(biāo)航天器的方位根據(jù)目標(biāo)航天器上的對接口方 向確定，相對距離根據(jù)相對測量設(shè)備的作用距離設(shè)定，而且要求在3 仃誤差內(nèi)兩個 航天器不會發(fā)生碰撞。 遠程導(dǎo)引獲得較好的終端條件有利于標(biāo)準(zhǔn)化近程導(dǎo)引段的光照、測控條件以及 近程導(dǎo)引的變軌過程，同時也有利于節(jié)省近程導(dǎo)引段的推進劑消耗，對交會對接 任務(wù)的成功具有重要意義。 7 ， 1 2 1 3 軌道偏差 導(dǎo)航誤差與控制誤差等引起的軌道偏差將使實際軌道偏離設(shè)計軌道，并隨軌道 運行其影響不斷擴大。由于遠程導(dǎo)引任務(wù)時間較長，必須在任務(wù)進行中基于不斷 更新的軌道數(shù)據(jù)重新計算變軌序列，以將實際軌道維持在設(shè)計軌道附近，減小各 第4 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院工學(xué)碩十學(xué)位論文 種偏差對終端的影響。 1 2 1 4 推進劑消耗 在交會對接任務(wù)計劃中，為各階段分配了相應(yīng)的推進劑，若超過了本階段允許 推進劑的上限，將有可能導(dǎo)致整個交會對接任務(wù)的失敗。美國的d a r t 計劃在最 后階段失敗，正是由于交會操作消耗了過多的推進劑【5 】。 1 2 1 5 測控通信 遠程導(dǎo)引各個變軌點之間要求有足夠的可觀測和通信的軌道弧段，以保證對航 天器狀態(tài)和關(guān)鍵動作的監(jiān)測，以及獲得較高的導(dǎo)航精度。 1 2 1 6 乘員休息和作息時間 如果追蹤航天器是載人的，則變軌任務(wù)不應(yīng)安排在乘員休息時間內(nèi)，而且變軌 次數(shù)不能過多。 1 2 2 變軌任務(wù)規(guī)劃研究內(nèi)容 根據(jù)實際軌道設(shè)計與控制過程，遠程導(dǎo)引變軌任務(wù)規(guī)劃包括追蹤航天器發(fā)射 前的事前規(guī)劃( p r e f l i g h tp l a n p r e 1 a u n c hp l a n ) 、在軌運行時的實時規(guī)劃任務(wù)中規(guī) 劃( r e a l t i m ep l a n i n o r b i tp l a n ) 和變軌故障后的軌道重構(gòu)規(guī)劃( p h a s i n go r b i t r e c o n f i g u r i n gp l a n ) ，其中實時規(guī)劃及軌道重構(gòu)規(guī)劃在公開發(fā)表的文獻中較少涉及。 1 2 2 1 變軌任務(wù)事前規(guī)劃 變軌任務(wù)事前規(guī)劃包括基本變軌方案的制定和標(biāo)稱變軌序列的計算。基本變軌 方案的制定包括根據(jù)整個交會對接任務(wù)的要求確定初始條件中的初始相位角，終 端條件中的交會時刻和瞄準(zhǔn)相對狀態(tài)等，變軌次數(shù)、變軌點基本位置及范圍等也 在制定變軌方案時確定；標(biāo)稱變軌序列的計算主要是根據(jù)基本變軌方案計算變軌 點具體位置( 或變軌時刻) 、沖量大小和方向等，以獲得遠程導(dǎo)引段標(biāo)稱軌道。 1 2 2 2 變軌任務(wù)實時規(guī)劃 由于各種軌道偏差的影響，實際軌道將偏離設(shè)計軌道。實時規(guī)劃的主要任務(wù)是 根據(jù)不斷更新的軌道數(shù)據(jù)重新計算后續(xù)變軌序列，以減小軌道偏差對終端條件的 影響，包括實時規(guī)劃方案設(shè)計及相應(yīng)變軌序列的計算。 1 2 2 3 變軌故障后軌道重構(gòu)規(guī)劃 遠程導(dǎo)引任務(wù)中出現(xiàn)變軌故障，故障排除或啟用備用設(shè)備后，追蹤航天器的 軌道機動能力可以得到恢復(fù)，但遠程導(dǎo)引軌道可能已經(jīng)較大偏離設(shè)計軌道。軌道 重構(gòu)規(guī)劃主要是研究變軌故障后如何通過安排后續(xù)軌道機動重構(gòu)遠程導(dǎo)引軌道以 保證交會任務(wù)的順利完成，主要包括后續(xù)變軌方案的設(shè)計和相應(yīng)變軌序列的計算。 第5 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院_ t 學(xué)碩+ 學(xué)位論文 1 3 遠程導(dǎo)引變軌任務(wù)規(guī)劃研究現(xiàn)狀 一般交會問題的研究分為理論交會( t h e o r e t i c a lr e n d e z v o u s ) 與實際交會 ( o p e r a t i o n a lr e n d e z v o u s ) 兩方面【1 羽，本節(jié)也從理論研究與工程實際研究兩方面 對遠程導(dǎo)引變軌任務(wù)規(guī)劃研究現(xiàn)狀進行總結(jié)與評價。 1 3 1 理論研究 一般交會問題的理論研究可分為基于線性模型的研究和基于非線性模型( 二 體模型) 的研究?；诜蔷€性模型的研究一般是適用于遠程導(dǎo)引段的；基于線性 模型的研究，如果不以兩個航天器相對距離遠小于它們到中心引力場的距離作為 前提，也是適用于遠程導(dǎo)引段的。已有的理論研究主要集中于對推進劑最優(yōu)交會 問題的研究。無論是線性還是非線性最優(yōu)交會問題，已有的理論研究又分為基于 主矢量理論的間接優(yōu)化和基于數(shù)值優(yōu)化算法的直接優(yōu)化兩方面。 l 311 基于線性模型的研究 對圓軌道進行線性化主要有兩種方式：1 ) 考慮兩個航天器的相對運動，在假 定二者的相對距離遠小于它們到中心引力場距離的情況下，得到線性化動力學(xué)方 程，典型的如c w ( c l o h e s s e y w h i l t s h i r e ) t 1 9 】方程。2 ) 選定一個圓參考軌道，在假 定航天器的軌道與參考軌道差別不大的情況下，在極坐標(biāo)系下將航天