免费论文：空间自主交会的轨道动力学与控制方法研究

空间自主交会技术是21世纪航天领域的一项关键技术，是当前国际航天领域研究的热点之一。为配合我国载人航天、探月、深空探测等重大工程计划，本文从当前和未来航天发展对空间自主交会的技术需求出发，开展自主交会的轨道动力学和控制问题的研究，目的是为我国未来空间自主交会任务提供相应的理论基础和技术储备。 论文首先回顾了空间自主交会的发展历程和自主交会轨道动力学与控制技术的研究历史，分析了自主交会的发展趋势和尚需突破的关键技术。然后针对自主交会的四个不同阶段（大范围轨道转移段、远程导引段、近程导引段和终端接近段），分别研究了其中的几个关键问题。 作为相对导引段制导律和控制律设计的基础，文中给出了航天器的相对运动方程的三种主要形式，即HCW方程及其改进形式、经典轨道要素偏差描述的相对运动方程，以及视线方程，并且分析说明了它们的适用条件和各自的优缺点。进一步地，基于轨道要素偏差描述的相对运动方程，分析说明了在自主交会的控制律和制导律设计中，可以不考虑摄动对相对运动的长期影响。 利用轨道要素偏差描述的相对运动方程及其周期特性，设计了自主交会远程导引段两种相对测量情况下的相对运动控制策略。当相对距离和视线角信号可得时，可以滤波获得相对位置和相对速度，仅利用这些相对运动信息，设计了轨道要素偏差法横向、径向和副法向控制策略。当仅有视线角测量信号可得时，相对位置和相对速度不可估，针对这种情况，本文提出周期迭代控制方法，直接利用方位角信号控制横向相对运动，该方法可以有效地实现自主交会的远程导引段的接近、停留等机动操作。 设计了自主交会近程导引段的鲁棒制导方法。针对椭圆轨道交会的情况，以只能获取相对运动信息为前提，将与航天器实时惯性信息相关的量看作不确定量，建立了系统的不确定模型。针对控制力无约束的情况，给出了保证价值制导方法和鲁棒滑模制导方法，数值仿真显示出，当速度增量消耗基本相同时鲁棒滑模制导方法的转移时间短，有利于快速接近。针对控制力定常的情况，给出了滑模制导方法和势函数制导方法，数值仿真显示势函数制导方法需要的速度增量较小、推力器开关机次数少，优势明显。 设计了自主交会的终端接近制导律。对于接近方向无约束的情况，给出了控制力定常的视线平行制导律；对于接近方向需要时刻跟踪目标姿态的情况，设计了模糊制导律，通过数值仿真验证了模糊制导律能够有效地实现非合作式自主交会对接的终端接近和距离保持，能够有效地控制接近方向，跟踪处于姿态翻滚状态的目标航天器的对接口方位，保证接近路线位于预定的安全走廊内。 研究了自主交会大范围轨道转移的Lambert二脉冲制导法。用遗传算法解决了任意轨道之间、初始位置和转移时间不固定的Lambert最优二脉冲转移问题，并用两个算例说明了该算法是准确有效的。描述了Lambert二脉冲转移方法用于实际空间交会转移任务时产生的误差，并给出了中途修正策略，通过Monte-Carlo数值模拟表明，中途修正策略可以显著减小轨道转移的终端误差。

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