近距离导引段交会轨迹安全性的定量评价和设计优化方法

随着人类空间探测领域的不断扩展,未来空间任务面临的环境愈加复杂,对交会对接技术的自主性提出了更高的要求,因而交会安全性也愈加受到重视。论文以我国载人航天交会对接任务为背景,系统研究了近距离导引段安全交会轨迹设计所涉及的偏差传播分析、安全性定量评价、被动安全轨迹的设计优化以及交会轨迹的闭环主动安全控制等问题,主要研究成果如下: 提出了交会过程偏差传播分析的CADET方法。1)基于C-W方程,考虑导航偏差和控制偏差,建立了相对状态及其偏差统计量的CADET传播模型;2)基于非线性摄动动力学方程,考虑轨道摄动模型偏差、导航偏差和控制偏差,建立了相对状态及其偏差统计量的CADET传播模型;3)采用正交试验设计方法,基于非线性摄动动力学方程的CADET偏差分析模型分析确定了主要偏差因素及其传播规律。 提出了考虑偏差的交会轨迹安全性的定量评价指标及其计算方法。1)基于3σ椭球和碰撞概率的思想,提出了交会轨迹安全性定量评价指标,研究了指标的快速计算方法,适用于在轨安全性分析;2)采用正交试验设计分析了交会时间、脉冲次数和脉冲间隔等交会轨迹的设计变量对指标的影响,获得了影响轨迹安全性主要因素的初步定性分析结果。 提出了安全性最优交会轨迹设计思想,进行了安全性最优交会轨迹的特性分析。1)建立了接近段的多脉冲安全性最优线性交会的优化模型,进行了不同方向、不同脉冲数目下多个工况的求解,基于优化结果分析了安全性最优接近轨迹的特性以及在工程上的可实践性;2)采用Lambert算法,建立了寻的段的安全性最优二体交会的优化模型,进行了不同脉冲数目下多个工况的求解,探讨了安全性与推进剂消耗及交会时间之间的关系;3)以二体解为初始点,采用序列二次规划方法获得J2摄动解,分析了J2摄动项对安全性指标的影响。 提出了含安全性指标的交会轨迹多目标优化模型及其适用算法。1)建立了综合考虑推进剂消耗、交会时间和安全性指标等三个指标的接近段多目标最优线性交会优化模型,对比评价了NSGA2和SPEA2的优化性能,优化结果有效揭示了交会轨迹整体性能指标之间的关系以及交会方向和脉冲数目对优化结果的影响;2)建立了寻的段的二体和考虑J2摄动交会的多目标优化模型,采用NSGA2算法获得了二体交会问题的Pareto最优解集,同时采用物理规划算法获得了满足设计者偏好的二体Pareto最优解,在此基础上采用序列二次规划,求得J2摄动偏好解。 提出了交会轨迹的闭环斜滑主动安全控制方法。1)提出了满足测量视场、最小脉冲间隔、最大脉冲受限等约束,以较省的推进剂消耗实现轨道面内任意方向、任意时间近距离交会的多脉冲斜滑制导开环算法;2)在此基础上,提出了轨迹控制和终端控制闭环斜滑算法,减小了轨迹偏离,实现交会轨迹的主动安全控制。 论文研究拓展了交会偏差传播分析方法,提出了系统的交会过程安全性定量评价指标和高效的分析方法,从理论分析和数值优化角度揭示了安全性最优交会轨迹特性,发展了多目标最优交会设计方法,具有较好的理论意义;并且研究方法可以用于在轨的交会安全性评估,以及为设计整体性能更优的交会轨道提供新的手段,具有较高的工程应用价值。