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

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文 摘要 交會對接是進行空間組裝、空間救援、深空探測等的必要技術(shù)，是我國載人航天第 二步戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)。交會路徑規(guī)劃是交會對接技術(shù)中關(guān)鍵問題之一。論文以解決工程 實際中的關(guān)鍵問題為目的，同時立足于拓展新的理論和方法，系統(tǒng)地研究了攝動和路徑 約束最優(yōu)交會路徑規(guī)劃問題、多目標(biāo)最優(yōu)交會路徑規(guī)劃問題以及考慮偏差的魯棒最優(yōu)交 會路徑規(guī)劃和實時交會路徑規(guī)劃問題。全文主要研究成果如下： 發(fā)展了攝動和路徑約束的最優(yōu)交會路徑規(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化解析軌道計算和高精度軌道數(shù)值計算的優(yōu) 點，提出了一類求解考慮攝動和路徑約束最優(yōu)交會問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 交會算法和進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)相交會特殊點變軌的整數(shù)和連續(xù)變量混合變量優(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 以及迭代初始點更新三種用于提高算法魯棒性和效率的措施；4 ) 給出了一個新的多圈 l a m b e r t 交會迭代算法，建立了基于多圈l a m b e r t 交會算法的調(diào)相交會綜合變軌規(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?；诮馕鰡栴}和實際應(yīng)用問 題對所提出規(guī)劃策略的全局收斂能力、效率和魯棒性進行了充分的測試和驗證。 研究提出了多目標(biāo)最優(yōu)交會路徑規(guī)劃的理論、模型和算法。1 ) 定義了交會軌道被動 安全的一個評價指標(biāo)，并給出了一類半解析分析算法；2 ) 分別基于線性c w 交會方程 和非線性二體交會方程，建立了綜合考慮燃料消耗、交會時間和交會軌道被動安全指標(biāo) 等三個指標(biāo)的多目標(biāo)最優(yōu)交會路徑規(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 交會算法和模擬退火算法的非線性攝動多目標(biāo)最優(yōu) 交會問題的求解策略，獲得了能應(yīng)用于實際飛行任務(wù)并滿足設(shè)計者偏好指標(biāo)的滿意解。 研究提出了考慮偏差魯棒最優(yōu)交會路徑規(guī)劃的理論、模型和算法。1 ) 定義了偏差最 優(yōu)交會的魯棒評價指標(biāo)，提出了一類用于非線性交會偏差分析的協(xié)方差分析方法；2 ) 分 別基于線性c w 交會方程和非線性二體交會方程，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，通過與燃料最優(yōu)解 和魯棒指標(biāo)最優(yōu)解的對比驗證了解的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實時路徑規(guī)劃算法。1 ) 給出了基于l a m b e r t 算法的考慮軌道 攝動的自主交會軌道制導(dǎo)算法；2 ) 發(fā)展了調(diào)相交會的軌道機動實時規(guī)劃算法，包括特殊 點變軌實時規(guī)劃算法和基于近圓偏差方程的綜合變軌實時規(guī)劃算法；3 ) 研制了集成論文 第i 頁 國防科學(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)用的交會路徑規(guī)劃軟件。 論文研究拓展了現(xiàn)有最優(yōu)交會路徑規(guī)劃的研究范疇，發(fā)展了多目標(biāo)最優(yōu)交會路徑規(guī) 劃和考慮偏差的魯棒最優(yōu)交會路徑規(guī)劃的理論、模型和算法，具有一定的理論意義，同 時為交會軌道的綜合性能指標(biāo)設(shè)計提供了新的手段；論文所提出的復(fù)雜交會路徑規(guī)劃方 法、實時路徑規(guī)劃算法以及所研制的交會路徑規(guī)劃軟件解決了實際工程應(yīng)用的難點問題， 在我國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踐價值。 主題詞：航天器；交會對接；交會路徑規(guī)劃；進化算法；多目標(biāo)最優(yōu)交會；協(xié)方差 分析；魯棒最優(yōu)交會；實時規(guī)劃；規(guī)劃軟件 第i i 頁 國防科學(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 國防科學(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 國防科學(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5 維約束問題的求解結(jié)果3 1 表2 2p s a s m 的5 次試驗結(jié)果3 3 表2 3 減速器設(shè)計結(jié)果3 3 表3 1h o h m a n n 交會的結(jié)果對比4 l 表3 2l a m b e r t 交會的結(jié)果對比4 1 表3 3不同軌道模型對應(yīng)的解。4 2 表3 4 三脈沖尋的交會優(yōu)化統(tǒng)計結(jié)果4 3 表3 5是否考慮測控約束解的對比4 3 表3 - 6 二體解和攝動解速度增量對比4 7 表3 7 整數(shù)編碼g a 參數(shù)5 3 表3 8 特殊點調(diào)相搜索區(qū)間和初始解5 4 表3 - 9 特殊點調(diào)相變軌所有解5 4 表3 1 0 軌道機動數(shù)據(jù)( 表3 - 9 中第一組解) 5 4 表3 1 1 特殊點變軌不同算法的結(jié)果對比5 5 表3 1 24 0 0 k m 同圓軌道交會問題的兩個解5 9 表3 1 3 綜合變軌變量的搜索區(qū)間6 0 表3 1 4 綜合變軌和特殊點變軌四個工況對應(yīng)的速度增量a v ( m s ) 6 0 表3 1 5 調(diào)相機動脈沖解( 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( 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)交會問題配置6 7 表4 3 v b a rp a r e t o 最優(yōu)解的個數(shù)統(tǒng)計。6 7 表4 4 四脈沖v b a r 交會的三個p a r e t o 最優(yōu)解6 8 表4 5 v b a r 交會p a r e t o 最優(yōu)解個數(shù)統(tǒng)計7 2 表4 - 6 三個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)計指標(biāo)的偏好結(jié)構(gòu)8 3 表4 9 不同軌道模型對應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果8 3 表4 1 0 各個算法最好二體解8 3 表4 1 1 不同算法二體解的統(tǒng)計結(jié)果8 4 第v 頁 國防科學(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)解的個數(shù)統(tǒng)計9 3 表5 2 線性三脈沖三個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 ，的方差對比9 4 表5 4 偏差線性多目標(biāo)交會三脈沖的三個p a r e t o 最優(yōu)解9 7 表5 5 三脈沖尋的交會終端偏差的解析解和數(shù)值解對比1 0 1 表5 - 6 三脈沖尋的交會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終端偏差的解析解和數(shù)值解對比1 0 2 表5 8 四脈沖多圈非共面交會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)果對比1 1 0 表6 2 速度增量和終端脫靶量的統(tǒng)計結(jié)果( 平均值和均方差) 1 1 0 表6 3調(diào)相特殊點軌道機動方案和變軌參數(shù)1 11 表6 4 速度增量偏差和終端脫靶量的統(tǒng)計結(jié)果( 平均值和均方差) 11 5 第v i 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文 圖目錄 圖1 1交會對接的飛行階段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 對五維約束問題的收斂過程對比：3 2 圖2 5s a 和p s a s m 對g o l i n s k i 減速器設(shè)計問題的收斂過程對比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 非線性攝動和路徑約束脈沖最優(yōu)交會的兩步混合策略求解框架4 0 圖3 3 速度增量隨交會時間變化曲線4 2 圖3 4 三脈沖尋的交會軌道曲線考慮和不考慮測控約束的對比4 3 圖3 5 典型的主矢量大小形狀4 5 圖3 - 6 圓軌道交會主矢量大小變化趨勢4 8 圖3 7 相位角變化曲線5 5 圖3 8 相對距離變化曲線5 5 圖3 - 9 相對速度變化曲線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問題5 8 圖3 1 3 同圓軌道交會的主矢量大小變化歷史( 時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)前沿對比6 9 圖4 4 交會標(biāo)稱軌道曲線( 對應(yīng)于表4 4 中第一個解) 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 測量視場受限與相對位置軌跡之間的關(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 三脈沖考慮視場約束p a r e t o 最優(yōu)前沿對比( 鼬o = 0 ) 7 4 第v i i 頁 國防科學(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 交會軌道的主矢量大小隨時間變化曲線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)交會三脈沖和四脈沖p a r e t o 最優(yōu)前沿對比9 6 圖5 - 6 偏差線性多目標(biāo)交會三脈沖考慮導(dǎo)航偏差的p a r e t o 最優(yōu)前沿對比9 6 圖5 7 基于基準(zhǔn)軌道的非線性交會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)前沿對比1 0 4 圖5 1 0 二體三脈沖燃料最優(yōu)解對應(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)相特殊點變軌規(guī)劃的配置界面1 1 6 圖6 3調(diào)相軌道機動偏差仿真的配置界面1 1 7 第v i i i 頁 獨創(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) 表和撰寫過的研究成果，也不包含為獲得國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意。 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)國防科 學(xué)技術(shù)大學(xué)可以保留并向國家有關(guān)部門或機構(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)庫進行檢索，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，闡述了交會路徑規(guī)劃問題，總結(jié)了交會路徑規(guī)劃的 研究進展，然后論述了論文主要解決的問題，最后介紹了論文的內(nèi)容安排。 1 1 1 交會對接基本概念 1 1 論文的研究背景 交會對接( r e n d e z v o u sa n dd o c k i n g ，r v d ) 技術(shù)是指兩個航天器( 一個稱為目標(biāo)航 天器，另一個稱為追蹤航天器) 于同一時間在軌道同一位置以相同速度相會合并在結(jié)構(gòu) 上連成一個整體的技術(shù)【l 一釘?？臻g交會對接包括兩部分相互銜接的空間操作：空間交會和 空間對接。所謂交會是指目標(biāo)航天器( 即被動航天器) ，不作任何機動( 或做少量機動) ， 在已知軌道上穩(wěn)定飛行，而追蹤航天器( 主動航天器) ，執(zhí)行一系列的軌道機動，與目 標(biāo)航天器在空間軌道上按預(yù)定位置和時間相會。交會的預(yù)定位置范圍隨著空間交會目的 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 對接是指在完成交會后，兩個航天器在空間軌道上接近、接觸、捕獲和校正，最后緊固 連接成一個復(fù)合航天器的過程。 一般來講，航天器要進行空間對接，必須先進行空間交會，但是進行空間交會的航 天器不一定要進行空間對接。 交會對接技術(shù)是進行高級空間操作的一項關(guān)鍵技術(shù)，可以用于 在軌組裝大型航天器； 軌道平臺或空間站補給； 空間站人員輪換； 航天器在軌維修； 在軌捕獲航天器并返回； 深空探測時航天器重新組裝。 1 1 2 我國載人航天工程發(fā)展概況 1 9 9 2 年中國開始實施航天工程，1 9 9 9 年1 1 月2 0 日，中國自主研制的第一艘載人 試驗飛船神舟一號發(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、神舟三號和神舟四號又分別順利升空。2 0 0 3 年l o 月1 5 日我國首位航天 員楊利偉乘坐的神舟五號飛船發(fā)射升空，在軌運行2 1 小時后于1 6 日安全返回地面，實 現(xiàn)了我國載人航天歷史性的突破。2 0 0 5 年1 0 月1 2 日，中國第二艘載人飛船神舟六號發(fā) 第l 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博十學(xué)位論文 射升空，航天員費俊龍和聶海勝完成了在太空1 1 5 個小時的飛行后于1 0 月1 7 日勝利返 回地面，表明我國載人航天技術(shù)日趨完善。 把人送到太空，僅僅是我國載人航天活動的開始。我國的載人航天工程將分