近地圆轨道上航天器碰撞概率计算及规避策略

发布时间：2017-09-16 11:46

  本文关键词：近地圆轨道上航天器碰撞概率计算及规避策略

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【摘要】：随着人类航天技术的快速发展,近年来航天活动不断增加,随之而来的是近地空间在轨航天器的数量急剧攀升,围绕地球的轨道空间变得愈发拥挤。在如此拥挤的环境中飞行,航天器之间以及航天器和空间碎片发生碰撞的可能性都明显提高,因此对碰撞预警和规避机动问题的研究有了其重要意义。本文把航天器和空间目标的相对运动视为非线性运动,将测量系统测量状态量时带有的误差考虑在内,计算了航天器与空间目标的碰撞概率,并分析了碰撞概率的置信度,然后对规避机动的策略进行了研究。航天器的碰撞预警以及规避机动主要是对航天器与空间目标相对运动进行分析。在第一章主要介绍了国内外学者对航天器碰撞预警及规避机动策略的研究现状。第二章概述了解决问题的过程中涉及到的基础知识,推导了航天器与空间目标相对运动的动力学方程,将初始时刻的相对状态信息进行外推,对未来时刻的相对状态信息进行预报。第三章对测量误差随时间变化的公式进行推导,基于两者的相对状态信息构建碰撞概率模型,分别计算了航天器与空间目标的最大瞬时碰撞概率和拟最大瞬时碰撞概率,然后分析了测量误差的传播特性,对碰撞概率的置信度进行了初步研究。第四章在满足碰撞概率约束的前提下,以消耗能量最小为优化准则,对航天器规避碰撞的机动策略进行研究,运用控制量参数法和配点法把连续的最优控制问题离散化,然后分别对航天器进行机动的最优策略进行了求解,并将两种方法所得结果进行比较分析。通过选取算例进行数值仿真,对结果进行分析可以得知:当航天器与空间目标的相对速度较小,相对运动为非线性动时,拟最大瞬时碰撞概率可以替代最大碰撞概率,大大节省计算时间;航天器与空间目标的碰撞预警考虑到预测期望及分布,由于测量系统的误差,给定碰撞概率的区间可以更好地描述碰撞发生的可能性;当在满足碰撞概率约束的前提下,寻求航天器规避的最优策略时,控制量参数法比配点法更合理、方便。
【关键词】：近地圆轨道 碰撞概率 虚警率 规避策略 控制量参数法 配点法
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V528
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题背景及研究的意义9-10
• 1.1.1 课题背景9-10
• 1.1.2 课题研究的意义10
• 1.2 碰撞预警及规避策略国内外研究现状10-14
• 1.2.1 碰撞预警国内外研究现状11-14
• 1.2.2 规避策略国内外研究现状14
• 1.3 本文主要研究内容14-15
• 1.4 本章小结15-16
• 第2章 相对运动动力学模型及误差分析16-29
• 2.1 相关坐标系的定义及坐标之间转换16-20
• 2.1.1 地心惯性坐标系16
• 2.1.2 RSW坐标系16-17
• 2.1.3 质心轨道坐标系17-18
• 2.1.4 轨道根数到与位置速度之间的转换18-20
• 2.1.5 坐标系间相互转换20
• 2.2 航天器与空间目标相对运动动力学模型20-24
• 2.3 C-W方程误差分析24-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 碰撞概率计算及虚警分析29-49
• 3.1 相对状态量协方差矩阵及其外推29-30
• 3.2 碰撞概率计算及碰撞预警30-33
• 3.3 初始状态误差传播分析33-41
• 3.3.1 x轴方向误差的单调性分析35-37
• 3.3.2 y轴方向误差的单调性分析37-38
• 3.3.3 z轴方向误差的单调性分析38-39
• 3.3.4 耦合项分析39-41
• 3.4 碰撞概率的虚警研究41-43
• 3.5 数值仿真及结果分析43-48
• 3.5.1 仿真算例143-45
• 3.5.2 仿真算例245-47
• 3.5.3 仿真算例347-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第4章 基于碰撞概率的规避策略研究49-68
• 4.1 规避策略问题描述49-50
• 4.2 控制量参数化方法50-53
• 4.3 配点法53-57
• 4.3.1 Gauss-Lobatto配点54-55
• 4.3.2 配点处的约束方程55-57
• 4.4 数值仿真及分析57-67
• 4.4.1 仿真算例157-60
• 4.4.2 仿真算例260-63
• 4.4.3 仿真算例363-67
• 4.5 本章小结67-68
• 结论68-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果73-75
• 致谢75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 王华;李海阳;唐国金;;飞行器碰撞概率计算的一般方法[J];国防科技大学学报;2006年04期

2 姚党鼐;王振国;;航天器在轨防碰撞自主规避策略[J];国防科技大学学报;2012年06期

3 黄海滨;马广富;庄宇飞;;编队卫星队形重构防碰撞最优轨迹规划[J];航空学报;2010年09期

4 王华;唐国金;李海阳;;基于碰撞概率的交会对接近距离导引段的轨迹安全[J];宇航学报;2007年03期

5 王华;李海阳;唐国金;;基于碰撞概率的交会对接最优碰撞规避机动[J];宇航学报;2008年01期

6 李翠兰;唐歌实;胡松杰;李勰;张宇;;交会对接任务碰撞规避策略制定研究[J];载人航天;2014年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 冯昊;空间碎片碰撞概率及其阈值分析和研究[D];中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心）;2008年

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本文编号：862860