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空间交会接近段联合机动及燃料优化问题研究

作　者: 周婷
导　师: 高云峰
学　校: 清华大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 交会对接 接近段 联合机动 最优控制
分类号: V526
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


交会对接技术是我国载人航天工程二期需要掌握的关键技术,而接近段轨道转移又是交会中一个重要环节。论文以空间交会接近段转移为背景,研究了接近段联合机动下的最优控制,分析了主要误差项对终点位置和速度精度的影响,并提出了在短时间内使C-W方程误差尽可能小的参数设计方法,这些研究可为工程中接近段转移轨迹的规划问题提供重要参考。主要研究成果如下:研究了接近段联合机动下的最优控制问题。(1)根据最优控制下有限推力的作用规律,制定了联合机动的具体策略:滑行-推进模式和滑行-推进-滑行-推进模式;针对不同的机动策略提出了相应的优化方法,对滑行-推进模式,可通过数值计算、结果比较直接得到燃料最优解;对滑行-推进-滑行-推进模式,可使用优化方法求解,为此,建立了相应的优化模型,采用了PSODE优化算法,通过数值计算得到了燃料最优解。(2)比较了双冲量机动、最优控制下小推力机动、滑行-推进模式和滑行-推进-滑行-推进模式四种机动方案下的燃料消耗等情况,小推力机动最省燃料,但轨迹视界角最大,滑行-推进-滑行-推进模式轨迹视界角最小;研究了滑行-推进-滑行-推进模式下,不同比冲比对燃料消耗的影响,结果表明比冲比越大,小推力机动燃料消耗少的优势越明显。研究了主要误差项对终点精度的影响。(1)建立了导航误差、控制误差和轨道模型误差仿真模型,并使用Monte-Carlo方法进行数值仿真,分析了误差项对终点位置和速度精度的影响,仿真结果表明Y向状态对误差项比较敏感,速度导航误差对终点平面内状态的影响比较大,小推力机动误差对终点平面内速度的影响比较大。(2)通过比较C-W、二体、J2、HPOP四种轨道模型下终点位置和速度可知,Y向状态对轨道模型比较敏感,J2项摄动对轨迹影响比较大,而且C-W模型的非线性误差、非零偏心率误差与摄动误差在接近段转移过程中会相互抵消一部分,减小了C-W模型的误差。(3)建立了修正C-W方程,引入了J2项摄动一阶项和引力二阶项;研究了在短时间内,使C-W方程误差尽可能小的参数设计方法;通过数值仿真算例,验证了参数设计方法的有效性。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 绪论  8-16
  1.1 研究背景  8-11
    1.1.1 交会对接技术  8-9
    1.1.2 交会对接发展概况  9-11
  1.2 研究现状  11-14
    1.2.1 接近段介绍  11
    1.2.2 小推力发动机介绍  11-12
    1.2.3 动力学模型  12-13
    1.2.4 不同机动方式下的最优交会问题研究  13-14
  1.3 研究意义  14-15
  1.4 本文工作  15-16
第2章 接近段动力学描述和轨道机动方式  16-27
  2.1 引言  16
  2.2 动力学模型  16-20
    2.2.1 参考坐标系  16-17
    2.2.2 相对轨道动力学  17-20
  2.3 轨道机动方式  20-24
    2.3.1 双冲量机动  20
    2.3.2 最优控制下的有限推力机动  20-24
  2.4 燃料消耗  24-26
    2.4.1 冲量机动燃料消耗  24
    2.4.2 连续推力燃料消耗  24-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章 联合机动下的最优控制  27-37
  3.1 引言  27
  3.2 机动策略  27-29
    3.2.1 滑行-推进模式  27-29
    3.2.2 滑行-推进-滑行-推进模式  29
  3.3 优化模型  29-31
    3.3.1 设计变量  30
    3.3.2 约束条件  30-31
    3.3.3 目标函数  31
  3.4 优化算法  31
  3.5 优化结果  31-32
  3.6 结果分析  32-36
    3.6.1 机动方案比较  32-35
    3.6.2 不同比冲优化结果比较  35-36
  3.7 本章小结  36-37
第4章 误差分析  37-54
  4.1 引言  37
  4.2 误差仿真模型及影响敏感度分析  37-47
    4.2.1 导航误差  37-40
    4.2.2 控制误差  40-43
    4.2.3 轨道模型误差  43-46
    4.2.4 综合误差  46-47
  4.3 使C-W 方程误差尽可能小的参数设计方法  47-53
    4.3.1 相对运动模型  47-49
    4.3.2 参数设计方法  49-51
    4.3.3 算例  51-53
  4.4 本章小结  53-54
第5章 结论  54-56
  5.1 研究总结  54
  5.2 展望  54-56
参考文献  56-60
致谢  60-61
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  61

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天术 > 对接技术
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