在轨组装机动路径规划研究

作     者：孙楚琦 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘淼群

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：在轨组装 路径规划 姿轨机动 遗传算法 Bang-Bang原理 

摘      要：受现有火箭运载能力限制,大型航天器无法一次入轨,在轨组装成为当前航天领域主要的发展方向之一。借助在轨服务航天器,能够实现复杂系统组装、能源补充、故障修复等空间任务,这些任务都迫切需要精确有效的在轨组装技术作为支撑。以往的大规模结构的部署,大部分是以对接的方式扩展空间结构,复杂结构的空间构型仅依靠各结构单元自行机动难以构建。现有的空间机械臂等辅助执行机构的发展,可以为在轨组装提供更多选择,在此基础上的最优机动路径规划成为在轨服务的新兴研究热点。本文以在轨组装任务作为研究对象,将在轨组装机动过程分解成轨道机动接近阶段和姿态机动阶段,并在以下几个方面展开研究工作。第一,对在轨组装轨道机动过程的相对运动建模进行介绍。介绍了二体条件下的两种常见相对运动模型,为在轨组装任务的轨道机动过程提供了较为准确和高效的动力学模型。之后,简要介绍了航天器的姿态动力学基础,为后续的姿态机动路径规划研究铺垫理论基础。第二,从动力学角度出发,研究了在轨组装任务航天器相对运动轨迹设计。通过分析C-W方程特性,介绍了四种相对运动轨迹类型,并给出每种类型的轨迹驱动条件。此外,介绍了在轨组装轨道机动接近过程的制导律设计,给出了基于C-W方程和T-H方程解析解的双脉冲机动制导策略,为后续机动路径的优化算法提供动力学模型输入。第三,根据在轨组装任务背景常采用交会对接与辅助机构结合工作的方式完成组装,其机动接近过程必须为装配过程规划安全的接近路径和工作区域,避免组装过程中的碰撞风险。在组装卫星的相对轨道运动模型基础上,建立了组装过程中的动态环境模型,针对在轨组装的位置、时间精度的同时优化改进了传统遗传算法,设计了基于改进遗传算法的在轨组装机动接近路径寻优方法。最后,在机动接近阶段末尾的停泊段,对于辅助操作机构进行工作所需的敏捷姿态机动过程,设计了基于Bang-Bang理论的姿态机动路径规划。通过设计航天器本体单轴角加速度规划函数及角加速度驱动时间策略,提供了组装卫星的快速姿态机动方法,通过仿真算例验证了有效性。论文简化了在轨组装机动任务过程,研究将机动过程涉及的主要姿轨问题分开解决,针对航天器在轨组装相对运动任务规划进行探索尝试,所提出的模型与算法均通过仿真进行验证。