航天器轨道机动可达范围与轨道优化研究

发布时间：2017-03-20 16:03

  本文关键词：航天器轨道机动可达范围与轨道优化研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：伴随着空间技术突飞猛进的发展，越来越多的人们把目光聚焦到了外部空间中，各个国家都在大力开展对外部空间资源的积极利用，为了争夺和控制有限的外部空间资源，不可避免地会产生空间对抗。而在空间对抗的过程中，要求航天器具有大范围的快速轨道机动能力，这样才能确保占领军事与科技的制高点。除了考虑战争背景，在人类对空间的探索过程中，轨道机动技术也发挥着无可替代的作用，比如对卫星的在轨维修、在轨加注、应急救援等一系列操作都会涉及到轨道机动技术。同时，以燃料最优或者时间最优作为优化指标的轨道优化技术，会在最大程度上发挥航天器的作用。 本文在考虑摄动因素（地球扁率、大气阻力）影响下，经过数值计算的方式得到了航天器在脉冲以及连续有限推力作用下航天器的轨道机动的可达范围，包括绝对可达范围以及相对可达范围，这为轨道优化设计提供了一定的理论基础。最后针对大倾角轨道改变这一轨道机动过程进行优化，以时间最优作为优化指标，得出了航天器的运行轨迹以及其他相关参数信息。 针对航天器绝对可达范围问题，即航天器轨道要素的变化情况，本文采用数值计算的方式，分别计算脉冲以及连续有限推力作用下航天器的绝对可达范围，并与通过高斯方程分析出的结果进行对比，验证数值计算的准确性以及高斯方程在轨道运动学上的应用效果，同时计算了双脉冲对轨道要素改变的影响。 针对航天器相对可达范围的问题，即两航天器间距离的变化情况，本文同样采用了数值计算的方法进行计算，得出了在脉冲以及连续有限推力作用下两航天器的相对可达范围。 针对轨道优化设计问题，本文结合大倾角轨道机动的实例，运用混合法以及高斯伪谱方法，结合相应的非线性规划算法进行优化设计，最终获得了和极小值原理一致的解。验证了高斯伪谱方法作为一种新出现的理论，，在不需要横截条件的情况下，其解决轨道优化问题的能力。
【关键词】：轨道机动 可达范围 轨道优化 高斯伪谱法
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V448.2;V412.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.1.1 课题来源9
• 1.1.2 研究的目的和意义9-10
• 1.2 航天器轨道机动研究现状10-16
• 1.2.1 轨道机动发展历程10-12
• 1.2.2 轨道机动应用案例12-16
• 1.3 轨道机动方式的研究现状16-17
• 1.3.1 脉冲机动16-17
• 1.3.2 有限推力机动17
• 1.4 本文主要研究工作17-18
• 第2章 航天器运动学建模18-30
• 2.1 引言18
• 2.2 相关空间坐标系定义18-19
• 2.3 坐标系间的转换19-20
• 2.4 状态转移矩阵表示的相对运动状态20-24
• 2.5 摄动影响下的航天器相对运动24-29
• 2.5.1 轨道坐标系下航天器的运动状态24-26
• 2.5.2 非线性相对运动方程的建立26-27
• 2.5.3 大气阻力产生的摄动加速度27-29
• 2.6 本章小结29-30
• 第3章 航天器绝对可达范围30-59
• 3.1 引言30
• 3.2 航天器绝对信息和轨道要素转化关系30-33
• 3.2.1 绝对信息转化为轨道要素30-32
• 3.2.2 轨道要素转化为绝对信息32-33
• 3.3 高斯扰动方程33-36
• 3.4 绝对可达区域理论分析36-37
• 3.5 脉冲作用下绝对可达区域数值计算37-51
• 3.5.1 单脉冲下的绝对可达区域37-44
• 3.5.2 双脉冲作用下的绝对可达范围44-51
• 3.6 连续有限推力作用下航天器的绝对可达范围51-58
• 3.7 本章小结58-59
• 第4章 航天器相对可达范围59-63
• 4.1 引言59
• 4.2 航天器相对可达范围理论分析59-60
• 4.3 脉冲作用下航天器的相对可达范围60-61
• 4.4 连续有限推力作用下的相对可达范围61-62
• 4.5 本章小结62-63
• 第5章 连续有限推力下的轨道优化设计63-74
• 5.1 引言63
• 5.2 航天器轨迹优化模型63-64
• 5.3 混合法原理64-67
• 5.4 高斯伪谱方法67-70
• 5.5 轨道优化实例70-73
• 5.6 本章小结73-74
• 结论74-76
• 参考文献76-80
• 致谢80

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