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空间飞行器快速绕飞制导方法研究

作　者: 李兴龙
导　师: 姚郁
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 自主绕飞 非合作目标 接近策略 受控绕飞 相对轨道要素
分类号: V412.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着航天技术的不断发展,小卫星临近空间任务受到了国内外的广泛关注,针对非合作目标的自主绕飞任务就是其中重要的组成部分。绕飞运动是指空间一个航天器(追踪星)周期性的环绕另外一个航天器(目标星)的相对运动,其在交会对接、编队飞行、目标侦查以及在轨维修等多个太空任务中发挥着重要的作用。本文针对非合作目标的自主绕飞问题进行了深入的研究,分别设计了近距离接近段的制导策略以及自主绕飞段的快速绕飞形式,主要内容包括:首先,建立了己方航天器和非合作目标的相对运动模型。针对绕飞过程的不同阶段,分别采用C-W方程和视线制导方程来描述二体之间的相对运动;然后根据实际工程背景,提出了己方航天器的导航装置和发动机的配置方案,推导出视线信息的解算方程,为接近段制导方法的设计提供基础。其次,研究了近距离接近段的制导问题。首先分析了形成自然绕飞的充分条件,并将其作为接近段的终端条件;随后提出了接近段的制导策略,将接近过程划分为直线接近和环绕接近两个阶段,对这两个阶段的制导律进行了分析和设计,定量分析了制导律的切换条件;最后,通过仿真验证了接近段制导策略的有效性。再次,针对非合作目标的快速绕飞问题,对单脉冲水滴绕飞和双椭圆受控绕飞这两种简单易行的绕飞形式进行了分析与设计。首先引入扩展相对轨道要素的概念对受控绕飞轨道进行了描述,使轨道的大小、形状、方位等信息能够直观体现;随后分析了单脉冲水滴绕飞和双椭圆受控绕飞的约束条件,对绕飞轨道进行了设计,使其满足工程需求,最后通过仿真验证了受控绕飞的优越性。最后,对接近和绕飞过程的追踪星姿态控制系统进行了需求分析,首先研究了接近过程视线角速度和视线角加速度对姿态控制系统的约束,随后基于扩展相对轨道要素分析了快速绕飞的角速度变化情况,为姿态控制器设计提供基础。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第1章 绪论  8-14
  1.1 课题背景及意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-12
    1.2.1 针对空间非合作目标自主绕飞的阶段划分  9-10
    1.2.2 接近段制导问题研究现状  10-11
    1.2.3 绕飞理论研究现状  11-12
  1.3 存在的主要问题与不足  12-13
  1.4 本文的主要研究内容  13-14
第2章 空间飞行器相对运动模型的建立  14-24
  2.1 引言  14
  2.2 坐标系定义及相互转换关系  14-19
    2.2.1 坐标系定义  14-17
    2.2.2 坐标系之间的相互转换关系  17-19
  2.3 空间飞行器二体相对运动方程  19-23
    2.3.1 C-W 方程  19-21
    2.3.2 视线制导方程  21-22
    2.3.3 追踪星相对导航配置方案及视线角的解算  22-23
  2.4 本章小结  23-24
第3章 近距离接近段制导设计方法  24-42
  3.1 引言  24-25
  3.2 接近段终端条件分析  25-27
  3.3 接近段制导策略  27-28
  3.4 接近段制导律设计  28-38
    3.4.1 直线接近过程制导律设计  28-29
    3.4.2 基于相平面规划的环绕接近制导律设计  29-35
    3.4.3 制导律切换条件分析  35-38
  3.5 接近段仿真分析  38-41
  3.6 本章小结  41-42
第4章 基于扩展相对轨道要素的快速绕飞轨道设计  42-57
  4.1 引言  42
  4.2 基于扩展相对轨道要素的轨道描述  42-45
  4.3 基于扩展相对轨道要素的单脉冲水滴绕飞轨道设计  45-50
    4.3.1 单脉冲水滴绕飞的约束条件  45-48
    4.3.2 水滴绕飞轨道设计  48-50
  4.4 基于扩展相对轨道要素的双椭圆受控绕飞轨道设计  50-54
    4.4.1 双椭圆受控绕飞的约束条件  50-53
    4.4.2 双椭圆受控绕飞轨道设计  53-54
  4.5 快速绕飞仿真分析  54-56
  4.6 本章小结  56-57
第5章 姿态控制系统需求分析  57-62
  5.1 引言  57
  5.2 接近段姿态控制系统需求分析  57-59
    5.2.1 角速度需求分析  57-58
    5.2.2 角加速度需求分析  58-59
  5.3 绕飞段姿态控制系统需求分析  59-61
  5.4 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-67
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  67-69
致谢  69

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 基础理论及试验 > 飞行力学 > 航天器飞行力学 > 航天器（包括卫星）的轨道
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