【摘要】：世界各國的航天在軌服務(wù)任務(wù)日漸增多,對空間自主交會技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求。對于非合作目標的空間自主交會近距離接近階段,目標無法主動配合服務(wù)星完成交會任務(wù),需要服務(wù)星考慮較多的約束,因此有必要選擇一種合適的軌跡規(guī)劃方法,使服務(wù)星能快速準確的完成交會任務(wù)。本論文將以服務(wù)星近距離接近非合作目標為研究背景,針對目標的特點,對服務(wù)星在軌跡的規(guī)劃問題進行研究,主要有如下內(nèi)容:針對服務(wù)星近距離接近非合作目標的問題進行建模,建立包含衛(wèi)星運動學(xué)、動力學(xué)以及視場角約束、障礙物規(guī)避約束、推力幅值約束、終端交會約束等路徑約束的衛(wèi)星軌跡規(guī)劃模型。針對服務(wù)星近距離接近無自旋的非合作目標的能量最優(yōu)軌跡規(guī)劃問題,對模型中非凸方程采用Taylor展開的方式進行線性化,得到凸化的軌跡規(guī)劃模型。并對模型進行等距離散化,得到離散的凸化模型,采用凸優(yōu)化求解器,結(jié)合序列迭代思想對問題進行迭代逼近。數(shù)值仿真結(jié)果表明該方法能夠快速求解出一條滿足約束的能量優(yōu)化軌跡。針對服務(wù)星近距離接近無自旋非合作目標時間自由軌跡規(guī)劃問題,引入時間比例因子對問題進行歸一化處理,得到歸一化的優(yōu)化模型。針對引入時間比例因子后造成的人工不可行性問題,引入虛擬控制變量,用以在迭代初期彌補模型之間的誤差。通過迭代逐漸減小模型誤差,從而使歸一化模型的解近似于原問題的解。并針對時間猜測初值對求解時間、最優(yōu)時間等進行了分析,給出了時間猜測初置的設(shè)定方法。針對存在繞自身軸自旋轉(zhuǎn)的非合作目標近距離接近問題,采用逆動力學(xué)方法對問題進行優(yōu)化求解。首先對模型的軌跡進行時間域內(nèi)的多項式賦值,采用逆動力學(xué)方法,將指標函數(shù)轉(zhuǎn)化為時間域內(nèi)的多項式表達式,從而將軌跡規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題。選擇合適的多項式階數(shù),減少優(yōu)化時變量的個數(shù),采用IPOPT求解器求解。數(shù)值仿真結(jié)果表明逆動力學(xué)方法能夠針對目標自旋問題在多約束條件下求解出一條能量優(yōu)化軌跡。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文并進行了一定的仿真驗證。（1）有人在軌操作技術(shù)在軌服務(wù)的初始主要是通過載人即宇航員完成各項任務(wù)，包括哈勃望遠鏡的在軌維修和國際空間站的資源更換等。1）哈勃望遠鏡的在軌服務(wù)從上世紀 90 年代到本世紀初，NASA 對哈勃望遠鏡進行了五次維修，均為通過航天飛機與望遠鏡對接，將宇航員輸送上去，進行了太陽能帆板陀螺等多個設(shè)備的更換任務(wù)，并給其加裝了一系列新設(shè)備包括紅外相機，多天體攝譜儀等。在最后一次維修中，哈勃望遠鏡加裝了自主交會對接接口，為以后的自主在軌交會對接等任務(wù)做好了準備[9]。通過對哈勃望遠鏡的在軌維修，不僅使其完成了初始設(shè)計任務(wù)，，還完成了一系列新增加的任務(wù)，即降低了成本，又提高了工作效率，對人類的太空探索做出了很大貢獻。哈勃望遠鏡在軌服務(wù)的成功對人類后續(xù)在軌服務(wù)任務(wù)及在軌交會任務(wù)的發(fā)展都具有較大意義。

圖 1-2 國際空間站在軌服務(wù)（2）航天器自主在軌服務(wù)由于宇航員在軌服務(wù)成本高昂，具有一定的危險，并且隨著近年來在軌計算機計算能力得到了較大的發(fā)展，自主在軌服務(wù)以及自主交會對接成為未來航天交會在軌服務(wù)的新方向。自主在軌服務(wù)具有成本較低，風(fēng)險較小，相對受空間環(huán)境影響較小等優(yōu)點在失效衛(wèi)星的清理上具有不可替代的優(yōu)勢，逐漸成為各國研究的重點，并對自主在軌交會在軌服務(wù)進行了一系列實驗驗證。1）日本的自主交會實驗日本在 1997 年發(fā)射了“ETS—VII”用于自主交會對接的驗證，并獲得成功。該項目由兩顆衛(wèi)星組成，分別用作追蹤星和目標星，通過一箭雙星入軌后分離，進行完全自主的交會對接，并可以通過追蹤星的機械臂對目標星進行捕獲、補給等任務(wù)[11]。這次試驗是世界第一次成功的自主在軌交會實驗，為自主在軌服務(wù)提供了寶貴的經(jīng)驗，成為空間自主在軌服務(wù)的一次里程碑。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V448.2

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本文編號：2611607