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航天器自主交会对接制导与控制方法研究

张大伟  
【摘要】:航天器空间自主交会对接是实现航天器在轨组装、维护、物资交换、补给以及人员访问载人航天器等高级空间操作的前提,是我国载人航天工程后续任务必须解决的关键技术。为配合我国载人航天、组建空间站和探月等重大工程计划,为我国未来空间自主交会对接任务提供相应的理论基础和技术储备,本文从当前和未来航天发展对空间自主交会对接的技术需要出发,以我国863国家高技术研究发展计划资助项目为背景,按远近顺序对自主交会对接过程中相关阶段与问题的制导与控制方法进行了研究。 首先,研究了轨道转移阶段中双脉冲轨道转移的燃料-时间综合优化问题。详细描述了变轨点与交会时间均待定的双脉冲轨道转移问题,利用变量代换推导了Lambert飞行时间定理计算公式的变形形式,并与改进的遗传算法相结合,设计了燃料-时间综合最优的智能优化算法计算流程,避免了传统方法在计算上的繁琐与复杂。通过对比不同情况下的计算机数值仿真结果,验证了方法的正确性与可行性,并分析了燃料-时间综合优化的特点。 其次,研究了非合作自主交会对接近距离交会阶段中动态障碍物躲避的制导方法。在非合作目标航天器的情况下,结合模糊控制系统和Gaussian函数设计了制导律,解决了包含相对速度信息的动态障碍物躲避问题。而后把人工势函数制导方法应用于此问题中,给出了详细的稳定性分析证明,并分析总结了势函数制导方法对于不同相对运动情况时的特点与局限性。随后为了克服分析出的局限性,把模糊系统与势函数制导结合起来设计了相应的制导律,解决了包含速度信息的动态障碍物躲避问题。最后通过计算机数值仿真,验证了以上方法的正确性与可行性。 再次,研究了非合作自主交会对接近距离交会阶段满足安全接近限制条件的制导方法。同样在非合作目标航天器的情况下,设计了一种基于椭圆蔓叶线的安全接近限制,进而利用势函数制导方法设计了相应的制导律,保证了追踪航天器在一定的初始位置条件下,在接近目标航天器的过程中能够运行在其最终接近走廊范围内。随后设计了一种球锥形安全接近限制,并结合模糊系统与势函数制导设计了相应的制导律,使追踪航天器从任意方向接近目标航天器时,均可确保其运动轨迹的安全性并使其运行在目标最终接近走廊范围内。对于所设计的制导方法,给出了详细的稳定性理论分析与证明,最后通过计算机数值仿真,验证了方法的正确性与可行性。 最后,研究了非合作自主交会对接近距离交会阶段轨道姿态耦合情况下的协同控制方法。依然在非合作目标航天器的情况下,分析了航天器轨道姿态耦合中由于制导加速度作用点与质心存在偏差所带来的干扰力矩,给出了轨道姿态耦合的数学模型。随后利用滑模面的思想,设计了航天器相对运动的制导律,结合滑模变结构控制思想与自适应模糊控制,设计了抗干扰的鲁棒姿态跟踪控制律,消除了状态变量的抖振。两种控制方法均给出了稳定性的分析证明,通过计算机数值仿真验证了方法的正确性与可行性,从而解决了控制意义下的轨道姿态耦合的协同控制问题。把前面的数值仿真结果通过视景仿真系统进行了动画演示,并讨论了所设计的姿态控制律与前几章制导问题中所设计的制导方法相结合的问题。


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