航天器近距离相对运动的轨迹偏差分析.pdf

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1、2017年3月北京航空航天大学学报March2017第43卷第3期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．43No．3http：∥bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．allDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0641航天器近距离相对运动的轨迹偏差分析石昊，赵育善8，师鹏(北京航空航天大学宇航学院，北京100083)摘要：利用相对可达区(RRD)的概念对航天器在脉冲闭环控制方式下相对运动的轨迹偏差进行了分析。相对可达区是对航天器可能出现位置集合的一种几何描述。

2、当航天器的状态误差服从高斯分布时，相对可达区可表示为随时间变化的误差椭球的集合。考虑航天器飞行过程中存在的不确定性因素，基于闭环控制系统下线性化的相对运动动力学模型，采用协方差分析描述函数法(CADET)对定义航天器误差椭球的协方差矩阵进行了分析，给出了根据协方差矩阵求解相对可达区包络的计算方法。通过将开环知闭环控制系统下的相对可达区包络与1000次的MonteCarlo仿真结果进行比较，证明了偏差分析方法的适用性与有效性。关键词：轨迹偏差；闭环控制；相对可达区(RRD)；误差椭球；协方差分析描述函数法(CADET)中图分类号：V412．4文献标识码：A文章编号：1001—5965(20

3、17)03·0636—09为了满足人类对于空间日益增加的应用需求，以及进一步提高空间系统的效益，以在轨组装、维护与补给等技术为标志的航天器近距离操控技术将成为未来航天技术发展的重要方向。而在任务的过程中，诸如测量、导航、控制等不可避免的误差因素都会导致航天器的实际轨迹偏离标称轨迹，极大地影响到任务的安全性。因此，有必要对近距离航天任务中的轨迹偏差进行分析和度量，以提高任务的安全性。从传统可达问题扩展而来的相对可达区(RelativeReachableDomain，RRD)概念，可以用来描述航天器由于轨道初值的不确定性导致的轨迹偏差范围¨。1。相对可达区的概念是由Wen等’3一首先提出的，

4、是指初始状态不确定性导致航天器可能到达的位置集合，旨在用来分析人轨误差对集群飞行航天器轨道的影响。随后，Wen和Gurfil¨’采用参考点的方法对初值不确定情况下的平面相对可达区的计算方法进行了研究。石昊等"o对上述方法进行了改进，将相对可达区的求解方法扩展到三维空间中，求解得到了航天器初值不确定性造成的轨迹偏差在空间中的包络曲面，并用MonteCarlo方法对结果的精度进行了验证。在近距离操控任务中，为提高轨道控制精度，闭环控制方式是必不可少的，然而，上述研究只针对了航天器的自由飞行轨迹，闭环控制轨迹的相对可达区并未有涉及。在闭环控制系统中，轨道初值不确定性和控制、导航、测量等误差均会

5、导致轨迹偏差，因此可将相对可达区的定义扩展为：相对坐标系下由于不确定性因素导致航天器可能到达的位置的集合。这样，相对可达区即是对相对运动轨迹偏差散布区域几何外形的描述。收稿日期：2016-08-08；录用日期：2016一“-04；网络出版时间：2016—12-0811：18网络出版地址：WWW．cnki．net／kems／detail／11．2625．V．20161208．1118．001．html基金项目：国家自然科学基金(11102007)；中央高校基本科研业务费专项资金(YwF-14一YHXY-012)《通讯作者：E—mail：yszhao@buaa．edu．cn；f用格式：石吴，

6、赵育善，师鹏．航天器近距离相对运动的革尢迹偏差分析fJ]北京航空航天大学学报，20t7，43(3)：636．644．SHIH．ZHA0YS．SHIP．Analysisoftrajectorydeviationforspacecraftrelativemotioninclose—ranget

7、]．JournalofBeijingUni．versityofAeronauticsandAstronautics，20t7，43<3j：636—644(inChinese)．第3期石吴，等：航天器近距离相对运动的轨迹偏差分析637对于闭环控制轨迹偏差问题，许多学者采用协方差分析方法进行了研究：Gel

8、ler等¨．73针对在轨闭环控制自主交会对接任务过程中的控制偏差和变轨时机问题进行了研究；李九人等¨3对仅测角导航条件下的闭环控制的相对导航协方差及相对运动轨迹控制协方差进行了分析；周洋等明3对赤道大椭圆卫星在开环和闭环控制下的轨道机动精度进行了分析。但是，上述基于协方差理论的轨迹偏差分析法，并未能够对轨迹偏差散布区域的几何构型有一个完整的描述，因此存在着一定的不足。本文将结合线性协方差分析法，采用相对可达区理论对闭环控制系统的航天