航天器自主交會對接制導與控制方法研究.pdf

1、航天器空間自主交會對接是實現(xiàn)航天器在軌組裝、維護、物資交換、補給以及人員訪問載人航天器等高級空間操作的前提，是我國載人航天工程后續(xù)任務必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。為配合我國載人航天、組建空間站和探月等重大工程計劃，為我國未來空間自主交會對接任務提供相應的理論基礎(chǔ)和技術(shù)儲備，本文從當前和未來航天發(fā)展對空間自主交會對接的技術(shù)需要出發(fā)，以我國863國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目為背景，按遠近順序?qū)ψ灾鹘粫舆^程中相關(guān)階段與問題的制導與控制方法進行了

2、研究。
　　首先，研究了軌道轉(zhuǎn)移階段中雙脈沖軌道轉(zhuǎn)移的燃料-時間綜合優(yōu)化問題。詳細描述了變軌點與交會時間均待定的雙脈沖軌道轉(zhuǎn)移問題，利用變量代換推導了Lambert飛行時間定理計算公式的變形形式，并與改進的遺傳算法相結(jié)合，設(shè)計了燃料-時間綜合最優(yōu)的智能優(yōu)化算法計算流程，避免了傳統(tǒng)方法在計算上的繁瑣與復雜。通過對比不同情況下的計算機數(shù)值仿真結(jié)果，驗證了方法的正確性與可行性，并分析了燃料-時間綜合優(yōu)化的特點。
　　其次，研究了非

3、合作自主交會對接近距離交會階段中動態(tài)障礙物躲避的制導方法。在非合作目標航天器的情況下，結(jié)合模糊控制系統(tǒng)和Gaussian函數(shù)設(shè)計了制導律，解決了包含相對速度信息的動態(tài)障礙物躲避問題。而后把人工勢函數(shù)制導方法應用于此問題中，給出了詳細的穩(wěn)定性分析證明，并分析總結(jié)了勢函數(shù)制導方法對于不同相對運動情況時的特點與局限性。隨后為了克服分析出的局限性，把模糊系統(tǒng)與勢函數(shù)制導結(jié)合起來設(shè)計了相應的制導律，解決了包含速度信息的動態(tài)障礙物躲避問題。最后通過

4、計算機數(shù)值仿真，驗證了以上方法的正確性與可行性。
　　再次，研究了非合作自主交會對接近距離交會階段滿足安全接近限制條件的制導方法。同樣在非合作目標航天器的情況下，設(shè)計了一種基于橢圓蔓葉線的安全接近限制，進而利用勢函數(shù)制導方法設(shè)計了相應的制導律，保證了追蹤航天器在一定的初始位置條件下，在接近目標航天器的過程中能夠運行在其最終接近走廊范圍內(nèi)。隨后設(shè)計了一種球錐形安全接近限制，并結(jié)合模糊系統(tǒng)與勢函數(shù)制導設(shè)計了相應的制導律，使追蹤航天器從

5、任意方向接近目標航天器時，均可確保其運動軌跡的安全性并使其運行在目標最終接近走廊范圍內(nèi)。對于所設(shè)計的制導方法，給出了詳細的穩(wěn)定性理論分析與證明，最后通過計算機數(shù)值仿真，驗證了方法的正確性與可行性。
　　最后，研究了非合作自主交會對接近距離交會階段軌道姿態(tài)耦合情況下的協(xié)同控制方法。依然在非合作目標航天器的情況下，分析了航天器軌道姿態(tài)耦合中由于制導加速度作用點與質(zhì)心存在偏差所帶來的干擾力矩，給出了軌道姿態(tài)耦合的數(shù)學模型。隨后利用滑模面