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交会对接的控制与轨迹安全

王华  
【摘要】: 交会对接技术是进行空间组装、空间平台补给、空间站人员轮换、在轨维修和深空探测等高级空间操作的一项必需技术。完整的交会对接过程包括远距离导引、近距离导引、平移靠拢、对接和撤离等阶段。在不同阶段有不同的控制目标和约束条件,所面临的轨迹安全问题也不尽相同。本文针对交会对接中存在的控制和轨迹安全问题,系统研究了各主要阶段的控制策略,采用概率及动力学分析等手段建立了轨迹安全的描述指标和计算方法。全文主要工作包括: 研究给出了交会对接轨迹安全策略,提出了交会对接碰撞分析模型和计算方法。(1)分析了交会对接各阶段面临的主要轨迹安全威胁,阐述了被动和主动安全策略、目标器的交会对接控制区域等保证交会安全的措施;(2)基于概率思想发展了线性和非线性运动情况下飞行器与空间碎片的碰撞判断方法,提出采用总碰撞概率和拟最大瞬时碰撞概率来综合描述飞行器与空间碎片的碰撞危险程度,推导了通过飞行器和空间碎片各自的状态矢量、位置误差协方差矩阵以及形状尺寸来计算碰撞概率的公式;(3)提出了两种分析追踪器和目标器之间相对轨迹安全的新方法:基于3σ椭球的轨迹安全分析方法和基于碰撞概率的轨迹安全分析方法。 提出了远距离导引段特殊点变轨的一种计算策略,建立了飞行器规避空间碎片的机动方法。(1)研究了远距离导引的特殊点变轨策略,针对特殊点变轨策略每次机动目标单一和轨道面修正为小量的特点,提出了将轨道面内调相与轨道面修正分解计算的策略,推导了采用高精度轨道模型的调相和轨道面修正机动计算公式;(2)研究了远距离导引段飞行器规避空间碎片的机动问题,提出了一种双调相轨道机动策略,并给出了碰撞规避机动的计算公式。 研究给出了近距离导引段的控制和轨迹安全计算方法。(1)分析了CW制导的误差,提出了一种采用精确模型对CW制导进行修正的制导方法,并针对轨道面外冲量控制存在奇异的问题,提出了轨道面外的控制策略;(2)研究给出了基于CW方程和基于高精度模型的近距离导引段被动轨迹安全分析方法;(3)建立了近距离导引段的碰撞规避机动计算方法。 研究给出了平移靠拢段的控制和轨迹安全计算方法。(1)提出了测量误差较大时平移靠拢段的视线控制策略,给出了横向、纵向和悬停的控制方法;(2)针对长方体禁区、球形禁区和锥形禁区三种禁区形式,研究了V-bar逼近和任意方向逼近的纵向安全速度计算问题;(3)提出了安全约束下的最优轨迹设计方法,将冲量和有限推力作用下的最优轨迹设计问题转化为线性规划问题,并给出了将锥形和方形安全区域约束转化为标准线性约束的公式;(4)探讨了紧急避撞机动的设计策略,分析了V-bar和R-bar接近的紧急避撞机动方案。 研究得到了视场约束下撤离控制方法,分析得到了分离的被动轨迹安全特性。(1)研究了视场约束下V-bar撤离的径向和切向冲量方案,利用解析和数值结合的方法得到了冲量大小和视场角的关系;(2)针对V-bar分离、R-bar分离和任意方向分离,分别研究了分离后的相对轨迹及被动安全特性。 总之,本文在交会对接的控制和轨迹安全分析方面取得了一些进展,其成果对我国载人航天工程交会对接技术的突破和掌握提供了理论参考和技术支持。


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