低轨航天器近距离交会任务规划研究

作     者：孙雷翔 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马广富

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：低轨航天器 高精度轨道动力学 轨道转移策略 近距离交会 在轨服务 

摘      要：随着人类航天技术的飞速发展,航天器在各个领域发挥着无可替代的作用,空间在轨服务技术因能有效延长航天器使用寿命、降低单次发射成本、修理失能航天器、清除在轨空间碎片、大幅提升外空间利用率而逐渐受到关注。为提升航天器的在轨服务任务质量,同时降低单次在轨服务成本,根据不同在轨服务任务的多种需求及服务航天器与目标航天器的实时位置,服务航天器需采用不同的策略进行轨道机动,调节自身位置实现对目标航天器安全、高效抵近。本文着眼于低轨道、复杂摄动条件下服务航天器对目标航天器的近距离交会问题,考虑载荷观测条件及平台机动能力的限制,研究轨道转移策略求解算法。主要研究内容如下:为解决复杂摄动条件下轨道转移策略的求解问题,首先对航天器进行轨道动力学建模,分析讨论航天器在轨受摄动力的情况,分别建立了理想二体模型、考虑主要摄动的低精度轨道动力学模型、考虑全部摄动的高精度轨道动力学模型,分别用于迭代初值求解、轨道转移策略快速迭代优化和高精度轨道递推,在满足误差要求的前提下最大程度地节省计算资源。针对小相角差、短距离、无时间约束的航天器抵近问题,提出了三步求解框架下的一次机动抵近转移策略求解方法。考虑不同轨道面的目标航天器进行抵近观测时的任务需求不同,依据服务航天器与目标航天器的轨道倾角差将抵近转移过程分成了共面目标抵近和异面目标抵近两类。前者考虑太阳光照角确定交会时间,以使服务航天器获得更好的目标观测条件,后者考虑目标航天器与服务航天器轨道面相对位置确定交会时间,以使服务航天器获得更长的目标观测窗口。为应对复杂摄动条件对轨道转移策略求解的影响的同时尽力降低燃耗,提出了“二体初值确定+低精度迭代优化+高精度策略求解的三步求解框架,即先使用霍曼解析解作为迭代初值,再利用低精度轨道动力学模型迭代优化服务航天器在各轨道停留时长,而后使用兰伯特转移策略完成实际转移的策略求解方法,仅用一次轨道机动就完成了抵近转移任务,并通过数学仿真验证了策略的有效性及可行性。针对大相角差、远距离、有时间约束的航天器交会问题,提出了三步求解框架下的两次机动大范围转移策略求解方法。首先建立了大范围转移的全过程描述,然后沿用了前述章节的三步求解框架并作出针对性改动:预估过渡轨道高度以便初值确定、为兼顾燃耗和精度采用“霍曼+兰伯特的两次机动大范围转移策略,给出了完整的策略求解方法,最后,进行数值仿真并对不同条件下的仿真结果进行对比分析,验证了大范围转移的有效性与可行性。