交会对接地面导引与自主导引的切换约束

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1、V01．19No．140载人航天MannedSpaceflight第19卷第1期2013年1月交会对接地面导引与自主导引的切换约束尤岳1，林西强2，王华1，李英良2，唐国金1(1国防科技大学航天科学与工程学院，长沙410073；2中国载人航天工程办公室，北京100720)摘要在分析目前设计指标合理性的基础上，提出一种交会对接地面导引与自主导引的切换条件约束模型，通过约束追踪航天器自主导引段初始相对运动轨迹在轨道面内的振荡幅度和含偏差自主控制过程中的推进剂消耗，给出保证自主寻的成功条件下，地面导引终点不同方向偏差间的取值关系。结合交会

2、对接任务系统仿真，分析验证约束模型的正确性和合理性。关键词交会对接；地面导引终点偏差；切换约束中图分类号：V448．25文献标识码：A文章编号：1674一-5825(2013)01—0040-一071引言交会对接地面导引段的终点控制精度是影响航天器交会对接成败的重要因素。目前，交会对接任务综合考虑测控资源约束、光照能源约束、任务规划策略等条件，设计了地面导引终点追踪航天器相对运动状态六分量的偏差门限值，作为地面导引与自主导引的切换条件。但仅使用相对状态六分量的偏差门限作为切换条件，可能会出现追踪航天器轨道面内相对运动轨迹不稳定、径向

3、振荡幅度大，不同偏差组合下推进剂消耗差异很大，甚至造成自主寻的失败导致交会对接过程中止等问题。因此，综合考虑地面导引终点不同方向偏差问取值关系及自主控制推进剂消耗，给出地面导引与自主导引的切换约束，对保证交会对接的成功具有很强的工程需求背景。2地面导引终点的偏差门限设计美国的“双子座”与“阿波罗”飞船均采用了共椭圆轨道交会方案[1J，如图1所示。目标图1“双子座”寻的段交会轨迹所谓“共椭圆轨道”，就是共面、同心椭圆轨道，即共椭圆轨道的轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角相同，且半长轴(o)与偏心率(e)的乘积(粥)相等川。当处于两个小偏

4、心率共椭圆轨道上的目标航天器与追踪航天器相距较近时，追踪航天器在LVLH坐标系(5一互哥j，如图2所示)中的运动轨迹近似为平行于互轴(V—bar)的直线，近似为常值面=3／2以7z，其中，凡为目标航天器的平均角速率，Ah为追踪航天器轨道与目标航天器轨道的高度差。在经典的交会对接任务中，通常选择共椭圆轨道作为从地面控制段向自主收稿日期：2012一-05—25；修回日期：2012—12-一15基金项目：高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金(201171)，国防科技大学优秀研究生创新资助($120105)作者简介：尤岳(1988一)，

5、男，硕士研究生，研究方向为空间交会对接动力学与控制。E-mail：maned_space@sina．eom第1期尤岳等：交会对接地面导引与自主导引的切换约束41控制段的过渡轨道。2．1地面导引段终点的位置约束条件_』D1r一0F·-。01一＼芳E～CZ幺^矿＼＼L(Gt")L汐)L171图2地面导引段与自主导引段界面分析图自主导引段的起点设计时主要考虑下列因素【2J：①寻的段终点(V—bar保持点)位置与寻的段机动方式。②交会航天器直接联络所允许的最大距离。③从交会航天器开始直接联络，至建成稳定的相对导航通信所需的最短时间。④地面导

6、引段最后一次机动的速度增量偏差。满足上述约束条件的地面导引终点范围为图2中的AFBC。其中，ABC为共椭圆轨道部分，A为寻的段起点，B为最晚开始过渡位置，c为最早开始过渡位置，D为满足约束的任意地面导引终点位置，E为L(y)线上与F直接联络所允许的最大距离，F为寻的段终点，p为航天器直接联络所允许的最大距离，p，为寻的段终点F与￡(卢)线上最远点B的距离，三。为过渡轨道最大相对高度，i。、j。分别为地面导引终点相对坐标。2．2地面导引终点的速度约束条件地面导引段终点的位置偏差主要源于调相段转移速度的偏差。设沿LVLH坐标系面轴和主轴

7、方向的速度增量偏差分别记为勘，与面，，则由C—w方程的解析解，可近似得到地面导引终点状态偏差[2】：菇一生L面+!面(1)n“n。斑：一生面。(2)几4蕊=一砌；(3)&=勘：(4)地面导引段终点的速度偏差舐和6三可以在轨道圆化机动中得到补偿，但终点位置偏差舐和匝必须限制在一定范围内，以保证自主导引段的起点落在AFBC内。因此，以l硫I和I斑l所允许的最大值偏差(航)。。与(越)。。对渤。和面。提出限量性要求。令导致(6面)。。和(6三)一的机动速度偏差的最大值为(渤，)。。和(面：max，代入式(1)～式(4)，最终得到地面导引终

8、点相对状态六分量的偏差门限值。3地面导引终点偏差约束模型3．1寻的段径向振荡幅度约束地面导引终点偏差即标称状态与实际状态之间的偏差，若单纯采用相对位置速度来描述，不能体现其内在的轨道特性；直接采用位置速度来构造误差轨道会使误差放大，产