（航空宇航科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）空間最優(yōu)交會(huì)路徑規(guī)劃策略研究.pdf

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文 摘要 交會(huì)對(duì)接是進(jìn)行空間組裝、空間救援、深空探測(cè)等的必要技術(shù)，是我國(guó)載人航天第 二步戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)。交會(huì)路徑規(guī)劃是交會(huì)對(duì)接技術(shù)中關(guān)鍵問(wèn)題之一。論文以解決工程 實(shí)際中的關(guān)鍵問(wèn)題為目的，同時(shí)立足于拓展新的理論和方法，系統(tǒng)地研究了攝動(dòng)和路徑 約束最優(yōu)交會(huì)路徑規(guī)劃問(wèn)題、多目標(biāo)最優(yōu)交會(huì)路徑規(guī)劃問(wèn)題以及考慮偏差的魯棒最優(yōu)交 會(huì)路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)交會(huì)路徑規(guī)劃問(wèn)題。全文主要研究成果如下： 發(fā)展了攝動(dòng)和路徑約束的最優(yōu)交會(huì)路徑規(guī)劃策略。1 ) 結(jié)合遺傳算法的全局搜索能力 和序列二次規(guī)劃算法的快速收斂能力以及簡(jiǎn)化解析軌道計(jì)算和高精度軌道數(shù)值計(jì)算的優(yōu) 點(diǎn)，提出了一類求解考慮攝動(dòng)和路徑約束最優(yōu)交會(huì)問(wèn)題的兩步串行混合優(yōu)化策略；2 ) 提 出了結(jié)合主矢量理論、l a m b e r t 交會(huì)算法和進(jìn)化算法用于確定最優(yōu)脈沖數(shù)目的交互式規(guī) 劃策略；3 ) 建立了調(diào)相交會(huì)特殊點(diǎn)變軌的整數(shù)和連續(xù)變量混合變量?jī)?yōu)化模型，提出了結(jié) 合整數(shù)編碼遺傳算法和牛頓迭代法的混合求解策略，給出了不可行解剔除、記憶數(shù)據(jù)庫(kù) 以及迭代初始點(diǎn)更新三種用于提高算法魯棒性和效率的措施；4 ) 給出了一個(gè)新的多圈 l a m b e r t 交會(huì)迭代算法，建立了基于多圈l a m b e r t 交會(huì)算法的調(diào)相交會(huì)綜合變軌規(guī)劃模 型，提出了基于并行模擬退火單純形算法的全局優(yōu)化策略?；诮馕鰡?wèn)題和實(shí)際應(yīng)用問(wèn) 題對(duì)所提出規(guī)劃策略的全局收斂能力、效率和魯棒性進(jìn)行了充分的測(cè)試和驗(yàn)證。 研究提出了多目標(biāo)最優(yōu)交會(huì)路徑規(guī)劃的理論、模型和算法。1 ) 定義了交會(huì)軌道被動(dòng) 安全的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并給出了一類半解析分析算法；2 ) 分別基于線性c w 交會(huì)方程 和非線性二體交會(huì)方程，建立了綜合考慮燃料消耗、交會(huì)時(shí)間和交會(huì)軌道被動(dòng)安全指標(biāo) 等三個(gè)指標(biāo)的多目標(biāo)最優(yōu)交會(huì)路徑規(guī)劃模型，采用一類多目標(biāo)遺傳算法n s g a i i 獲得 p a r e t o 最優(yōu)解集，優(yōu)化結(jié)果可以快捷有效地揭示交會(huì)軌道整體性能指標(biāo)之間的關(guān)系；3 ) 提出了基于物理規(guī)劃算法、l a m b e r t 交會(huì)算法和模擬退火算法的非線性攝動(dòng)多目標(biāo)最優(yōu) 交會(huì)問(wèn)題的求解策略，獲得了能應(yīng)用于實(shí)際飛行任務(wù)并滿足設(shè)計(jì)者偏好指標(biāo)的滿意解。 研究提出了考慮偏差魯棒最優(yōu)交會(huì)路徑規(guī)劃的理論、模型和算法。1 ) 定義了偏差最 優(yōu)交會(huì)的魯棒評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了一類用于非線性交會(huì)偏差分析的協(xié)方差分析方法；2 ) 分 別基于線性c w 交會(huì)方程和非線性二體交會(huì)方程，建立了綜合考慮燃料消耗和魯棒指標(biāo) 的魯棒最優(yōu)交會(huì)兩目標(biāo)規(guī)劃模型，采用n s g a i i 獲得了p a r e t o 解集，通過(guò)與燃料最優(yōu)解 和魯棒指標(biāo)最優(yōu)解的對(duì)比驗(yàn)證了解的p a r e t o 最優(yōu)性；3 ) 將魯棒指標(biāo)引入到多目標(biāo)交會(huì)路 徑規(guī)劃中，優(yōu)化結(jié)果可以快速地獲得考慮偏差交會(huì)軌道整體性能指標(biāo)之間的關(guān)系。 研究給出了非線性交會(huì)實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃算法。1 ) 給出了基于l a m b e r t 算法的考慮軌道 攝動(dòng)的自主交會(huì)軌道制導(dǎo)算法；2 ) 發(fā)展了調(diào)相交會(huì)的軌道機(jī)動(dòng)實(shí)時(shí)規(guī)劃算法，包括特殊 點(diǎn)變軌實(shí)時(shí)規(guī)劃算法和基于近圓偏差方程的綜合變軌實(shí)時(shí)規(guī)劃算法；3 ) 研制了集成論文 第i 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文 研究成果并面向工程應(yīng)用的交會(huì)路徑規(guī)劃軟件。 論文研究拓展了現(xiàn)有最優(yōu)交會(huì)路徑規(guī)劃的研究范疇，發(fā)展了多目標(biāo)最優(yōu)交會(huì)路徑規(guī) 劃和考慮偏差的魯棒最優(yōu)交會(huì)路徑規(guī)劃的理論、模型和算法，具有一定的理論意義，同 時(shí)為交會(huì)軌道的綜合性能指標(biāo)設(shè)計(jì)提供了新的手段；論文所提出的復(fù)雜交會(huì)路徑規(guī)劃方 法、實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃算法以及所研制的交會(huì)路徑規(guī)劃軟件解決了實(shí)際工程應(yīng)用的難點(diǎn)問(wèn)題， 在我國(guó)載人航天二期工程和其他空間應(yīng)用工程中具有較高的實(shí)踐價(jià)值。 主題詞：航天器；交會(huì)對(duì)接；交會(huì)路徑規(guī)劃；進(jìn)化算法；多目標(biāo)最優(yōu)交會(huì)；協(xié)方差 分析；魯棒最優(yōu)交會(huì)；實(shí)時(shí)規(guī)劃；規(guī)劃軟件 第i i 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文 a bs t r a c t r e n d e z v o u sa n dd o c k i n gt e c h n o l o g yi se s s e n t i a li n s p a c e - a s s e m b l y ，s p a c e - s u c c o r , o u t e r s p a c e - e x p l o r a t i o ne t c ，a n di sak e yt e c h n o l o g yf o rt h es e c o n ds t e po fc h i n am a n n e ds p a c e f l i g h tp r o j e c t r e n d e z v o u st r a j e c t o r yp l a n n i n gi sac r i t i c a lp r o b l e mi nr e n d e z v o u sa n dd o c k i n gt e c h n o l o g y f o rt h e p u r p o s eo fs o l v i n gt h ec r i t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o np r o b l e m sa n df u r t h e rd e v e l o p i n gt h en e wt h e o r y a n dm e t h o d s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h eo p t i m a lr e n d e z v o u st r a j e c t o r yw i t hp e r t u r b a t i o n sa n dp a t h c o n s t r a i n t sp l a n n i n gp r o b l e m ，t h em u l t i o b j e c t i v er e n d e z v o u st r a j e c t o r yp l a n n i n gp r o b l e m ，t h er o b u s t o p t i m a lr e n d e z v o u st r a j e c t o r yp l a n n i n gp r o b l e ma n dt h er e a l t i m et r a j e c t o r yp l a n n i n gp r o b l e mw i t h c o n s i d e d n gu n c e r t a i n t i e s t h em a i nr e s u l t sa c h i e v e di nt h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s t h eo p t i m a lp l a n n i n ga p p r o a c h e sf o rr e n d e z v o u st r a j e c t o r yw i t ht r a j e c t o r yp e r t u r b a t i o n s a n dp a t hc o n s t r a i n t sa r ed e v e l o p e d 1 ) ah y b r i da p p r o a c hc o m b i n i n gt h eg l o b a ls e a r c ha b i l i t yo f g e n e t i ca l g o r i t h ma n dt h eh i g hc o n v e r g e n c er a t e o fs q p ，t o g e t h e rw i t ht h es i m p l i f i e da n a l y t i c a l p r o p a g a t o ra n dt h eh i g h - f i d e l i t ym a t h e m a t i c a lp r o p a g a t o ri sp r o p o s e dt o s o l v et h ep e r t u r b e da n d p a t h - c o n s t r a i n e dm u l t i - i m p u l s ef u e l o p t i m a lr e n d e z v o u sp r o b l e m 2 ) a ni n t e r a c t i v eo p t i m i z a t i o n a p p r o a c hu s i n gt h ee v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ，t h el a m b e r tr e n d e z v o u sa l g o r i t h ma n dt h ep r i m e rv e c t o r t h e o r yi sp r o p o s e dt oo p t i m i z ear e n d e z v o u st r a j e c t o r yw i t ht h eo p t i m a ln u m b e ro fi m p u l s e s 3 1t h e d e s i g no far e n d e z v o u sp h a s i n gs t r a t e g yw i t hs p e c i a l - p o i n tm a n e u v e r si sf o r m u l a t e da sam i x e di n t e g e r a n dc o n t i n u o u sn o n l i n e a rp r o g r a m m i n gp r o b l e m ah y b r i da p p r o a c hc o m b i n i n ga ni n t e g e r - c o d e d g e n e t i ca l g o r i t h mw i t hn e w t o n sm e t h o di sp r o p o s e df o rs o l v i n gt h i sp r o b l e m t h r e ei m p r o v e m e n t s i n c l u d i n gt h ei n f e a s i b l es o l u t i o nr e t u r n ，t h em e m o r yd a t a b a s ea n dr e n e w i n gt h ei n i t i a lg u e s sa r e i m p o s e do nt h eh y b r i da p p r o a c ht om a k ei tm o r ee f f i c i e n ta n dr o b u s t 4 ) an e wm u l t i p l e r e v o l u t i o n l a m b e r ta l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，a n da no p t i m i z a t i o nm o d e li sf o r m u l a t e df o rt h ed e s i g no far e n d e z v o u s p h a s i n gs t r a t e g yw i t hc o m b i n e dm a n e u v e r s ，a n dag l o b a lo p t i m i z a t i o na p p r o a c hb a s e do nap a r a l l e l s i m u l a t e da n n e a l i n gu s i n gs i m p l e xm e t h o di sp r o p o s e d t h eg l o b a lc o n v e r g e n c ea b i l i t y ，h i g he f f i c i e n c e a n dr o b u s t n e s so ft h e s ef o u rp r o p o s e do p t i m i z a t i o na p p r o a c h e sa r et e s t i f i e db ys o l v i n gt h ea n a l y t i c a l p r o b l e m sa n dt h ep r a c t i c a lp r o b l e m s t h eo p t i m a lm u l t i p l e - o b j e c t i v er e n d e z o u st r a j e c t o r yp l a n n i n gt h e o r y , m e t h o d sa n d a p p r o a c h e sa r es t u d i e da n dp r o p o s e d 1 1ap e r f o r m a n c ei n d e xr e l a t e dt or e n d e z v o u st r a j e c t o r y p a s s i v es a f e t yi sd e f i n e da n das e m i t h e o r e t i c a lm o d e lf o rc a l c u l a t i n gt h i ss a f e t yp e r f o r m a n c ei n d e xi s p r o v i d e d 2 1b a s e do nt h ec l o h e s s y - w i l t s h i ml i n e a r i z e dr e n d e z o u v se q u a t i o n sa n dt w o - b o d yl a m b e r t r e n d e z v o u se q u a t i o n s ，t h et h r e e o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e l si n c l u d i n gt h em i n i m u mc h a r a c t e r i s t i c v e l o c i t y ，t h em i n i m u mt i m eo ff l i g h ta n dt h em a x i m u ms a f e t yp e r f o r m a n c ei n d e xa r er e s p e c t i v e l y f o r m u a l t e d ，t h en o n d o m i n a t e ds o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m ( n s g a - i i ) i se m p l o y e dt oo b t a i nt h ep a r e t o s o l u t i o ns e t t h eo p t i m i z a i t o nr e s u l t sc a l lq u i c k l yd e m o n s t r a t et h et r a d e o f f sb e t w e e nt h ew h o l e 第i i i 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博十學(xué)位論文 p e r f o r m a c ei n d e x e so far e n d e z v o u st r a j e c t o r y 3 ) t h eo p t i m i z a t i o na p p r o a c hu s i n gt h ep h y s i c a l p r o g r a m m i n g ，t h el a m b e r tr e n d e z v o u sa l g o r i t h ma n dt h es i m u l a t e da n n e a l i n gf o rt h em u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n d e s i g no fn o n l i n e a rp e r t u r b e dr e n d e z v o u si sp r o p o s e d ，t h ed e s i g n e rp r e f e r r e ds o l u t i o n w h i c hc a nb ed i r e c t l ya p p l i e dt om i s s i o np l a ni so b t a i n e d t h er o b u s to p t i m a lr e n d e z o u st r a j e c t o r yw i t hu n c e r t a i n t i e sp l a n n i n gt h e o r y , m e t h o d sa n d a p p r o a c h e sa r es t u d i e da n dp r o p o s e d 1 ) o n er o b u s t n e s sp e r f o r m a n c ei n d e xo far e n d e z v o u s t r a j e c t o r yw i t hu n c e r t a i n t yi sd e f i n e d ，a n do n ec o v a r i a n c ea n a l y s i sm e t h o df o rn o n l i n e a rr e n d e z v o u s u n c e r t a i n t ya n a l y s i si sp r o p o s e d 2 ) b a s e do nt h ec l o h e s s y - w i l t s h i r el i n e a r i z e dr e n d e z o u v se q u a t i o n s a n dt h et w o - b o d yr e n d e z v o u se q u m i o n s ，at w o o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e li n c l u d i n gt h em i n i m u m c h a r a c t e r i s t i cv e l o c i t ya n dt h em i n i m u mr o b u s t n e s sp e r f o r m a n c ei n d e xa r ef o r m u a t e d ，t h en s g a i ii s e m p l o y e dt oo b t a i nt h ep a r e t os o l u t i o ns e t t h ep a r e t oo p t i m a l i t yo ft h eo b t a i n e ds o l u t i o n si st e s t i f i e d b yc o m p a r i n gw i t ht h ef u e l o p t i m a la n dr o b u s t n e s s o p t i m a ls o l u t i o n s 3 ) t h er o b u s t n e s sp e r f o r m a n c e i n d e xi si n t r o d u c e di n t ot h em u l t i o b j e c i t v er e n d e z v o u st r a j e c t o r yp l a n n i n g t h er e s u l t sc a nq u i c k l y d e m o n s t r a t et h et r a d e o f f sb e t w e e nt h ew h o l ep e r f o r m a n c ei n d e x e so far e n d e z v o u st r a j e c t o r yw i t h u n c e r t a i n t y t h er e a l t i m er e n d e z o u st r a j e c t o r yp l a n n i n ga p p r o a c h e sa r es t u d i e da n dp r o v i d e d 1 、t h e t r a j e c t o r yg u i d a n c ea l g o r i t h mw h i c hc o n s i d e r st r a j e c t o r yp e r t u r b a t i o n sf o ra u t o n o m o u sr e n d e z v o u si s p r o p o s e db a s e do nt h el a m b e r ta l g o r i t h m 2 ) t h er e a l - t i m ep l a n n i n ga p p r o a c hf o rp h a s i n gr e n d e z v o u s t r a j e c t o r ym a n e u v e r s ，i n c l u d i n gt h es p e c i a l - p o i n tm a n e u v e r sr e a l t i m ep l a n n i n ga p p r o a c ha n dt h e c o m b i n e dm a n e u v e r sr e a l t i m ep l a n n i n ga p p r o a c hu s i n gt h en e a rc i r c u l a rd e v i a t i o ne q u a t i o n s ，a r e d e v e l o p e d 3 、ar e n d e z v o u st r a j e c t o r yp l a n n i n gs o f t w a r ew h i c hi n t e g r a t e st h et h e o r e t i c a la c h i e v e m e n t s o ft h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v e l o p e df o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ne x p a n d st h er e s e a r c hd o m a i no ft h ec u r r e n tr e n d e z v o u st r a j e c t o r yp l a n n i n gb y d e v e l o p i n gt h eo p t i m a lm u l t i p l e - o b j e c t i v ea n dr o b u s to p t i m a lr e n d e z o u st r a j e c t o r yp l a n n i n gt h e o r y ， m e t h o d sa n da p p r o a c h e s ，w h i c hh a v es o m et h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da l s op r o v i d en e wd e s i g nt o o l s f o rc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a c ei n d e xo p t i m i z a t i o nd e s i g no far e n d e z v o u st r a j e c t o r y t h ep r o p o s e d c o m p l e xr e n d e z v o u st r a j e c t o r yp l a n n i n ga p p r o a c h ，t h er e a l t i m er e n d e z v o u sp l a n n i n ga p p r o a c ha n dt h e d e v e l o p e dr e n d e z v o u st r a j e c t o r yp l a n n i n gs o f t w a r es o l v et h ec t r i t i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m s ，w h i c h h a v eh i g ha p p l i c a t i o nv a l u ei nc h i n am a n n e ds p a c e f l i g h tp r o j e c ta n do t h e rs p a c ea p p l i c a t i o np r o j e c t s k e yw o r d s ：s p a c e c r a f t ；r e n d e z v o u sa n dd o c k i n g ；r e n d e z v o u st r a j e c t o r yp l a n n i n g ； e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ；o p t i m a lm u l t i o b j e e t i v er e n d e z v o u s ；c o v a r i a n c ea n a i y s i s ：r o b u s t o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；r e a l - t i m ep l a n ；p l a n n i n gs o f t w a r e 第i v 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文 表目錄 表2 1不同算法對(duì)5 維約束問(wèn)題的求解結(jié)果3 1 表2 2p s a s m 的5 次試驗(yàn)結(jié)果3 3 表2 3 減速器設(shè)計(jì)結(jié)果3 3 表3 1h o h m a n n 交會(huì)的結(jié)果對(duì)比4 l 表3 2l a m b e r t 交會(huì)的結(jié)果對(duì)比4 1 表3 3不同軌道模型對(duì)應(yīng)的解。4 2 表3 4 三脈沖尋的交會(huì)優(yōu)化統(tǒng)計(jì)結(jié)果4 3 表3 5是否考慮測(cè)控約束解的對(duì)比4 3 表3 - 6 二體解和攝動(dòng)解速度增量對(duì)比4 7 表3 7 整數(shù)編碼g a 參數(shù)5 3 表3 8 特殊點(diǎn)調(diào)相搜索區(qū)間和初始解5 4 表3 - 9 特殊點(diǎn)調(diào)相變軌所有解5 4 表3 1 0 軌道機(jī)動(dòng)數(shù)據(jù)( 表3 - 9 中第一組解) 5 4 表3 1 1 特殊點(diǎn)變軌不同算法的結(jié)果對(duì)比5 5 表3 1 24 0 0 k m 同圓軌道交會(huì)問(wèn)題的兩個(gè)解5 9 表3 1 3 綜合變軌變量的搜索區(qū)間6 0 表3 1 4 綜合變軌和特殊點(diǎn)變軌四個(gè)工況對(duì)應(yīng)的速度增量a v ( m s ) 6 0 表3 1 5 調(diào)相機(jī)動(dòng)脈沖解( a i = o 2 。，a q = o 4 。) 6 0 表3 1 6 不同算法在求解二體解的結(jié)果統(tǒng)計(jì)( a i = o 2 。，q = o 4 。) 6 l 表3 1 7 不同調(diào)相方案的a v ( m s ) ( a i = o 2 。，q = o 4 ，二體解) 6 1 表4 1n s g a i i 算法參數(shù)6 7 表4 2 線性多目標(biāo)交會(huì)問(wèn)題配置6 7 表4 3 v b a rp a r e t o 最優(yōu)解的個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)。6 7 表4 4 四脈沖v b a r 交會(huì)的三個(gè)p a r e t o 最優(yōu)解6 8 表4 5 v b a r 交會(huì)p a r e t o 最優(yōu)解個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)7 2 表4 - 6 三個(gè)p a r e t o 最優(yōu)解( 三脈沖，+ v - b a r ，匕= o ，= 1 8 0 d e g ) 7 5 表4 7 三個(gè)p a r e t o 最優(yōu)解( 四脈沖，_ v b a r ，匕= 0 ，r = 1 8 0 d e g ) 7 5 表4 8 設(shè)計(jì)指標(biāo)的偏好結(jié)構(gòu)8 3 表4 9 不同軌道模型對(duì)應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果8 3 表4 1 0 各個(gè)算法最好二體解8 3 表4 1 1 不同算法二體解的統(tǒng)計(jì)結(jié)果8 4 第v 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文 表5 1 線性p a r e t o 最優(yōu)解的個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)9 3 表5 2 線性三脈沖三個(gè)p a r e t o 最優(yōu)解、燃料最優(yōu)解和魯棒指標(biāo)最優(yōu)解9 3 表5 3 線性協(xié)方差和m o n t ec a r l o 仿真得到6 x ，的方差對(duì)比9 4 表5 4 偏差線性多目標(biāo)交會(huì)三脈沖的三個(gè)p a r e t o 最優(yōu)解9 7 表5 5 三脈沖尋的交會(huì)終端偏差的解析解和數(shù)值解對(duì)比1 0 1 表5 - 6 三脈沖尋的交會(huì)終端偏差方差的解析解和m o n t ec a r l o 仿真解1 0 1 表5 7 四脈沖多圈非共面交會(huì)終端偏差的解析解和數(shù)值解對(duì)比1 0 2 表5 8 四脈沖多圈非共面交會(huì)終端偏差的方差的解析解和m o n t ec a r l o 仿真解1 0 3 表5 - 9 三脈沖二體p a r e t o 最優(yōu)解、燃料最優(yōu)解和魯棒指標(biāo)最優(yōu)解1 0 5 表6 1終端控制和軌跡控制標(biāo)稱結(jié)果對(duì)比1 1 0 表6 2 速度增量和終端脫靶量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果( 平均值和均方差) 1 1 0 表6 3調(diào)相特殊點(diǎn)軌道機(jī)動(dòng)方案和變軌參數(shù)1 11 表6 4 速度增量偏差和終端脫靶量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果( 平均值和均方差) 11 5 第v i 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文 圖目錄 圖1 1交會(huì)對(duì)接的飛行階段3 圖2 1 軌道坐標(biāo)系1 6 圖2 2 雙脈沖l a m b e r t 交會(huì)示意圖2 0 圖2 3并行模擬退火單純形算法流程圖2 9 圖2 4s a 和p s a s m 對(duì)五維約束問(wèn)題的收斂過(guò)程對(duì)比：3 2 圖2 5s a 和p s a s m 對(duì)g o l i n s k i 減速器設(shè)計(jì)問(wèn)題的收斂過(guò)程對(duì)比3 2 圖3 1相位角的定義和調(diào)相初始和終端條件。3 8 圖3 2 非線性攝動(dòng)和路徑約束脈沖最優(yōu)交會(huì)的兩步混合策略求解框架4 0 圖3 3 速度增量隨交會(huì)時(shí)間變化曲線4 2 圖3 4 三脈沖尋的交會(huì)軌道曲線考慮和不考慮測(cè)控約束的對(duì)比4 3 圖3 5 典型的主矢量大小形狀4 5 圖3 - 6 圓軌道交會(huì)主矢量大小變化趨勢(shì)4 8 圖3 7 相位角變化曲線5 5 圖3 8 相對(duì)距離變化曲線5 5 圖3 - 9 相對(duì)速度變化曲線5 5 圖3 1o 追蹤航天器逼近目標(biāo)航天器曲線5 5 圖3 11 基于多圈l a m b e r t 算法的調(diào)相交會(huì)綜合變軌優(yōu)化框架5 7 圖3 1 2 追蹤和目標(biāo)航天器在同一圓軌道上交會(huì)問(wèn)題5 8 圖3 1 3 同圓軌道交會(huì)的主矢量大小變化歷史( 時(shí)間以參考圓軌道周期度量) 5 9 圖3 1 4 速度增量變化曲線( a i = 0 2 。) 。6 0 圖3 1 5 速度增量變化曲線( a d ：0 4 。) 6 0 圖4 1三脈沖+ v b a r 和- v b a rp a r e t o 最優(yōu)前沿對(duì)比6 8 圖4 - 2 + v b a r 四脈沖和三脈沖p a r e t o 最優(yōu)前沿對(duì)比6 8 圖4 3 v b a r 二脈沖和三脈沖p a r e t o 最優(yōu)前沿對(duì)比6 9 圖4 4 交會(huì)標(biāo)稱軌道曲線( 對(duì)應(yīng)于表4 4 中第一個(gè)解) 6 9 圖4 5 追蹤航天器自由飛行軌道( 開始于4 9 5 8 s ) 7 0 圖4 6 測(cè)量視場(chǎng)受限與相對(duì)位置軌跡之間的關(guān)系圖7 1 圖4 - 7 三脈沖+ v b a r 和v - b a rp a r e t o 最優(yōu)前沿對(duì)比( 匕= o ，p = 1 8 0 d e g ) 。7 3 圖4 - 8 四脈沖p a r e t o 最優(yōu)前沿對(duì)比( 匕= 1 5 0 0 m ，礦= 1 8 0 d e g ) 7 3 圖4 - 9 - v - b a r 三脈沖和四脈沖p a r e t o 最優(yōu)前沿對(duì)比( 匕= 1 5 0 0 m ，= 1 8 0 d e g ) 7 4 圖4 1 0 - v b a r 三脈沖考慮視場(chǎng)約束p a r e t o 最優(yōu)前沿對(duì)比( 鼬o = 0 ) 7 4 第v i i 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博+ 學(xué)位論文 圖4 1 1 追蹤航天器標(biāo)稱飛行軌道和失控后的自由飛行軌道7 5 圖4 1 2 _ v b a r 交會(huì)軌道的主矢量大小隨時(shí)間變化曲線7 6 圖4 - 1 3p a r e t o 最優(yōu)解和燃料最優(yōu)解對(duì)比( - v - b a r ，匕= 0 ，= 1 8 0 d e g ) 7 7 圖4 1 4 偏好函數(shù)示意圖8 0 圖4 1 5 模擬退火算法的收斂歷史8 4 圖4 1 6n s g a i i 和物理規(guī)劃解f j i 沿對(duì)比8 4 圖5 1線性二脈沖、三脈沖和四脈沖p a r e t o 最優(yōu)前沿對(duì)比9 2 圖5 2線性三脈沖p a r e t o 最優(yōu)解、燃料最優(yōu)解和魯棒指標(biāo)最優(yōu)解的前沿對(duì)比9 2 圖5 3線性三脈沖燃料最優(yōu)解的主矢量大小變化歷史9 4 圖5 4 偏差線性多目標(biāo)交會(huì)三脈沖p a r e t o 最優(yōu)前沿9 5 圖5 5偏差線性多目標(biāo)交會(huì)三脈沖和四脈沖p a r e t o 最優(yōu)前沿對(duì)比9 6 圖5 - 6 偏差線性多目標(biāo)交會(huì)三脈沖考慮導(dǎo)航偏差的p a r e t o 最優(yōu)前沿對(duì)比9 6 圖5 7 基于基準(zhǔn)軌道的非線性交會(huì)偏差傳遞分析示意圖9 8 圖5 8 二體三脈沖p a r e t o 最優(yōu)解、燃料最優(yōu)解和魯棒指標(biāo)最優(yōu)解的前沿對(duì)比。1 0 4 圖5 - 9二體三脈沖和四脈沖p a r e t o 最優(yōu)前沿對(duì)比1 0 4 圖5 1 0 二體三脈沖燃料最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的主矢量大小變化歷史1 0 5 圖5 1 1 偏差二體多目標(biāo)交會(huì)p a r e t o 最優(yōu)前沿1 0 6 圖6 1調(diào)相段軌道控制地面模擬流程圖1 1 4 圖6 2 調(diào)相特殊點(diǎn)變軌規(guī)劃的配置界面1 1 6 圖6 3調(diào)相軌道機(jī)動(dòng)偏差仿真的配置界面1 1 7 第v i i i 頁(yè) 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā) 表和撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過(guò)的材料與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明 確的說(shuō)明并表示謝意。 學(xué)位論文題目： 學(xué)位論文作者簽名： 日期：叼年月弓f 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定本人授權(quán)國(guó)防科 學(xué)技術(shù)大學(xué)可以保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子文檔，允許論文 被查閱和借閱；可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用 影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文 ( 保密學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位論文題目： 一空聞量位塞全整堡拯劃筮喳嬰究一一 學(xué)位論文作者簽名：蘭翌氫一 日期：跏7 年8 月弓f 日 作者指導(dǎo)教師簽名：! 塑熏3 壘日期：h 叼年g 月弓日 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博七學(xué)位論文 第一章緒論弟一早三百了匕 本章首先介紹論文的研究背景，闡述了交會(huì)路徑規(guī)劃問(wèn)題，總結(jié)了交會(huì)路徑規(guī)劃的 研究進(jìn)展，然后論述了論文主要解決的問(wèn)題，最后介紹了論文的內(nèi)容安排。 1 1 1 交會(huì)對(duì)接基本概念 1 1 論文的研究背景 交會(huì)對(duì)接( r e n d e z v o u sa n dd o c k i n g ，r v d ) 技術(shù)是指兩個(gè)航天器( 一個(gè)稱為目標(biāo)航 天器，另一個(gè)稱為追蹤航天器) 于同一時(shí)間在軌道同一位置以相同速度相會(huì)合并在結(jié)構(gòu) 上連成一個(gè)整體的技術(shù)【l 一釘?？臻g交會(huì)對(duì)接包括兩部分相互銜接的空間操作：空間交會(huì)和 空間對(duì)接。所謂交會(huì)是指目標(biāo)航天器( 即被動(dòng)航天器) ，不作任何機(jī)動(dòng)( 或做少量機(jī)動(dòng)) ， 在已知軌道上穩(wěn)定飛行，而追蹤航天器( 主動(dòng)航天器) ，執(zhí)行一系列的軌道機(jī)動(dòng)，與目 標(biāo)航天器在空間軌道上按預(yù)定位置和時(shí)間相會(huì)。交會(huì)的預(yù)定位置范圍隨著空間交會(huì)目的 不同有各種不同的規(guī)定，例如以目標(biāo)航天器為中心的若干公里為半徑的球形范圍。所謂 對(duì)接是指在完成交會(huì)后，兩個(gè)航天器在空間軌道上接近、接觸、捕獲和校正，最后緊固 連接成一個(gè)復(fù)合航天器的過(guò)程。 一般來(lái)講，航天器要進(jìn)行空間對(duì)接，必須先進(jìn)行空間交會(huì)，但是進(jìn)行空間交會(huì)的航 天器不一定要進(jìn)行空間對(duì)接。 交會(huì)對(duì)接技術(shù)是進(jìn)行高級(jí)空間操作的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以用于 在軌組裝大型航天器； 軌道平臺(tái)或空間站補(bǔ)給； 空間站人員輪換； 航天器在軌維修； 在軌捕獲航天器并返回； 深空探測(cè)時(shí)航天器重新組裝。 1 1 2 我國(guó)載人航天工程發(fā)展概況 1 9 9 2 年中國(guó)開始實(shí)施航天工程，1 9 9 9 年1 1 月2 0 日，中國(guó)自主研制的第一艘載人 試驗(yàn)飛船神舟一號(hào)發(fā)射成功。2 0 0 1 年1 月1 0 日、2 0 0 2 年3 月2 5 日和2 0 0 2 年1 2 月3 0 日，神舟二號(hào)、神舟三號(hào)和神舟四號(hào)又分別順利升空。2 0 0 3 年l o 月1 5 日我國(guó)首位航天 員楊利偉乘坐的神舟五號(hào)飛船發(fā)射升空，在軌運(yùn)行2 1 小時(shí)后于1 6 日安全返回地面，實(shí) 現(xiàn)了我國(guó)載人航天歷史性的突破。2 0 0 5 年1 0 月1 2 日，中國(guó)第二艘載人飛船神舟六號(hào)發(fā) 第l 頁(yè) 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博十學(xué)位論文 射升空，航天員費(fèi)俊龍和聶海勝完成了在太空1 1 5 個(gè)小時(shí)的飛行后于1 0 月1 7 日勝利返 回地面，表明我國(guó)載人航天技術(shù)日趨完善。 把人送到太空，僅僅是我國(guó)載人航天活動(dòng)的開始。我國(guó)的載人航天工程將分