服务星近距离接近非合作目标轨迹规划方法研究

发布时间：2020-04-02 06:43

【摘要】：世界各国的航天在轨服务任务日渐增多,对空间自主交会技术的发展提出了新的要求。对于非合作目标的空间自主交会近距离接近阶段,目标无法主动配合服务星完成交会任务,需要服务星考虑较多的约束,因此有必要选择一种合适的轨迹规划方法,使服务星能快速准确的完成交会任务。本论文将以服务星近距离接近非合作目标为研究背景,针对目标的特点,对服务星在轨迹的规划问题进行研究,主要有如下内容:针对服务星近距离接近非合作目标的问题进行建模,建立包含卫星运动学、动力学以及视场角约束、障碍物规避约束、推力幅值约束、终端交会约束等路径约束的卫星轨迹规划模型。针对服务星近距离接近无自旋的非合作目标的能量最优轨迹规划问题,对模型中非凸方程采用Taylor展开的方式进行线性化,得到凸化的轨迹规划模型。并对模型进行等距离散化,得到离散的凸化模型,采用凸优化求解器,结合序列迭代思想对问题进行迭代逼近。数值仿真结果表明该方法能够快速求解出一条满足约束的能量优化轨迹。针对服务星近距离接近无自旋非合作目标时间自由轨迹规划问题,引入时间比例因子对问题进行归一化处理,得到归一化的优化模型。针对引入时间比例因子后造成的人工不可行性问题,引入虚拟控制变量,用以在迭代初期弥补模型之间的误差。通过迭代逐渐减小模型误差,从而使归一化模型的解近似于原问题的解。并针对时间猜测初值对求解时间、最优时间等进行了分析,给出了时间猜测初置的设定方法。针对存在绕自身轴自旋转的非合作目标近距离接近问题,采用逆动力学方法对问题进行优化求解。首先对模型的轨迹进行时间域内的多项式赋值,采用逆动力学方法,将指标函数转化为时间域内的多项式表达式,从而将轨迹规划问题转化为非线性规划问题。选择合适的多项式阶数,减少优化时变量的个数,采用IPOPT求解器求解。数值仿真结果表明逆动力学方法能够针对目标自旋问题在多约束条件下求解出一条能量优化轨迹。
【图文】：

哈勃望远镜

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文并进行了一定的仿真验证。（1）有人在轨操作技术在轨服务的初始主要是通过载人即宇航员完成各项任务，包括哈勃望远镜的在轨维修和国际空间站的资源更换等。1）哈勃望远镜的在轨服务从上世纪 90 年代到本世纪初，NASA 对哈勃望远镜进行了五次维修，均为通过航天飞机与望远镜对接，将宇航员输送上去，进行了太阳能帆板陀螺等多个设备的更换任务，并给其加装了一系列新设备包括红外相机，多天体摄谱仪等。在最后一次维修中，哈勃望远镜加装了自主交会对接接口，为以后的自主在轨交会对接等任务做好了准备[9]。通过对哈勃望远镜的在轨维修，不仅使其完成了初始设计任务，，还完成了一系列新增加的任务，即降低了成本，又提高了工作效率，对人类的太空探索做出了很大贡献。哈勃望远镜在轨服务的成功对人类后续在轨服务任务及在轨交会任务的发展都具有较大意义。

国际空间站,航天器,交会对接,交会

图 1-2 国际空间站在轨服务（2）航天器自主在轨服务由于宇航员在轨服务成本高昂，具有一定的危险，并且随着近年来在轨计算机计算能力得到了较大的发展，自主在轨服务以及自主交会对接成为未来航天交会在轨服务的新方向。自主在轨服务具有成本较低，风险较小，相对受空间环境影响较小等优点在失效卫星的清理上具有不可替代的优势，逐渐成为各国研究的重点，并对自主在轨交会在轨服务进行了一系列实验验证。1）日本的自主交会实验日本在 1997 年发射了“ETS—VII”用于自主交会对接的验证，并获得成功。该项目由两颗卫星组成，分别用作追踪星和目标星，通过一箭双星入轨后分离，进行完全自主的交会对接，并可以通过追踪星的机械臂对目标星进行捕获、补给等任务[11]。这次试验是世界第一次成功的自主在轨交会实验，为自主在轨服务提供了宝贵的经验，成为空间自主在轨服务的一次里程碑。
【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】：2019
【分类号】：V448.2

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