安全逼近空间翻滚目标的轨迹规划与控制研究

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1、摘要摘要在轨服务技术是实现对太空高效率、低成本地开发和利用的基础，具有重要的经济效益和军事意义。目前在轨服务还面临诸多技术难题，其中的一个关键技术是对空间翻滚目标的安全逼近，这是进行后续在轨服务操作的重要前提。本文以在轨服务任务为背景，主要研究了安全逼近空间翻滚目标的轨迹规划与控制方法。首先，本文建立了两航天器在地球中心引力场中的相对运动模型，分别推导了圆参考轨道和椭圆参考轨道的线性化相对运动方程及其解析解；借助刚体自由转动理论对目标航天器的翻滚运动进行了分析，并根据其翻滚轴与对接轴的空间关系将其翻滚运动分成了三类。其次，本文将安全逼近空间翻滚目标的任

2、务过程分为了两个阶段：过渡逼近段和最终逼近段。针对过渡逼近段提出了基于逆动力学的最优轨迹规划方法。利用逆动力学方法对服务航天器的运动轨迹进行参数化表示；轨迹优化以能量消耗为指标，并考虑诸如主动避碰、推力大小限制和被动安全性等的约束条件；采用直接法，对轨迹优化问题的性能指标和所有约束条件进行离散化处理，并采用非线性规划算法进行求解。再次，本文针对安全逼近空间翻滚目标的最终逼近段，提出了采用人工势场结合安全边界约束的轨迹规划方法；针对目标航天器的不同翻滚运动类型，结合其几何外形特点，分别建立各自的安全边界约束条件；确定服务航天器的期望相对速度指令，并设计滑

3、模控制器来控制服务航天器跟踪该速度指令，进而安全无碰撞地逼近空间翻滚目标。最后，本文针对安全逼近空间翻滚目标的过渡逼近段和最终逼近段所提出的轨迹规划与控制方法进行了仿真验证和分析。结果表明，所提出的方法可以为服务航天器规划出安全无碰撞的逼近轨迹，并且可以满足各个阶段对安全性及其他约束条件的要求。此外，对过渡逼近段的仿真还证明了考虑被动安全约束的必要性。关键词：在轨服务，空间翻滚目标，逆动力学法，被动安全，人工势场，滑模控制IAbstractAbstractTheon-orbitservicingtechnologyisthebasisforrealiz

4、ingthehigh-efficiencyandlow-costdevelopmentandutilizationofouterspace,andithasimportanteconomicandmilitarysignificance.However,therearemanytechnicalproblemsinimplementingon-orbitservicing.Oneofthekeytechnologiesistosafelyapproachaspacetumblingtarget,whichisanimportantprerequisit

5、eforthesubsequenton-orbitservicingoperation.Inthispaper,thetrajectoryplanningandcontrolmethodsforsafelyapproachingaspacetumblingtargetarestudied.Firstly,therelativemotionmodeloftwospacecraftsinthecentralgravityoftheearthisestablished.Thelinearizedrelativemotionequationsofthecirc

6、ularreferenceorbitandtheellipticalreferenceorbitarederivedrespectively,andtheanalyticalsolutionsofthetwoequationsaregiven.Thetumblingmotionofthetargetspacecraftisanalyzedusingthetheoryofrigidbodyfreerotation,andisdividedintothreecasesaccordingtothespatialrelationshipofthetarget’

7、stumblingaxisanditsdockingaxis.Secondly,thetaskprocessofapproachingspacetumblingtargetisdividedintotwopahses:thetransitionapproachingpahseandthefinalapproachingphase.Anoptimaltrajectoryplanningmethodbasedoninversedynamicsisproposedforthetransitionapproachingphase,andthetrajector

8、yoftheservicespacecraftisparameterizedbytheinve