空间望远镜运动轨迹规划研究

发布时间：2020-10-21 23:10

　　近年来,随着人类对太空的探索不断深入,利用空间望远镜实施在轨侦查与跟踪成为了空间探索与开发的一个热点,而其中对望远镜分辨率要求的不断提高造成的设计口径、所占的质量比重增加,进而对卫星姿态干扰加重的问题尤其引人注目。在这种背景下,对空间望远镜运动轨迹进行必要的规划以求减少干扰逐渐成为了一种共识。空间望远镜系统工作在外空间微重力环境下,载体基座工作情况介于固定基座与自由漂浮基座之间,其扰动分析优化过程较为复杂。为考虑问题方便,本文将载体基座理想化为固定基座和自由漂浮两种模式进行讨论,将从系统反作用扰动建模、固定基座下运动轨迹规划和自由漂浮基座下运动轨迹规划三个方面依次展开深入研究,以改善空间望远镜在实现点对点运动中反作用扰动情况,具体研究内容包括:首先建立了空间望远镜在固定基座和自由漂浮基座下反作用扰动模型。本文以牛顿-欧拉法作为基本框架,综合利用了矢量坐标变换、动量矩定理和角速度合成等刚体动力学理论,推导出系统在固定基座下反作用扰动数学模型,并将其转变为微分动力学的形式;在自由漂浮基座下,考虑角动量守恒这一非完整性约束,引入扰动雅克比矩阵概念,建立载体姿态扰动与望远镜转轴运动之间的物理联系。其次研究了固定基座模式下空间望远镜的轨迹优化问题。根据实际需要将固定基座下最小反作用扰动问题抽象为一个连续Bolza型最优控制问题,并分析了几种求解该问题最优解方法的优缺点,进而引出适用于固定基座非线性扰动模型优化的Chebyshev伪谱法;本文依次从优化目标、边界约束条件、初始值猜测和静态优化方法进行论述,给出了基于Chebyshev伪谱法的数值解决方案。最后研究了空间望远镜在自由漂浮基座下的轨迹优化问题。根据实际需要讨论了姿态扰动指标的选择问题,取载体姿态的变化量的2-范数作为评价指标;其次根据望远镜运动学方程探讨了广义雅克比矩阵的局部性质,利用奇异值分解(SVD)这一数学工具得到短距离最小扰动规划方向;在此基础上对空间望远镜中长距离点到点的路径规划问题进行必要的数学抽象,将其转化为经典NLP问题进行求解,并通过施加必要物理约束,改善扰动优化轨线。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P111
【部分图文】：

望远镜,转轴,结构示意图,光学望远镜

哈尔滨工业大学硕士学位论文第1章绪论1.1 课题研究的背景和意义空间望远镜主要由航天器载体基座和光学望远镜两部分组成，光学望远镜主要包括一个俯仰轴-偏航轴支撑支架和一个观测镜头以及必要的辅助控制设备，如图 1-1 所示。利用空间望远镜实施在轨侦查与跟踪是现在以及未来空间探索与开发的热点，图 1-2 为美国 KH“锁眼”系列侦查卫星的结构示意图。

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