基于伴飞模式的异面星座多补给任务研究.pdf

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1、第33卷2016年第2期上海航天AER()SPA(、ESHANGHAI文章编号：10061630(2016)02—0009—06基于伴飞模式的异面星座多补给任务研究肖东东卜!，朱庆华卜2，祖立业111(1．上海航天控制技术研究所，上海201109；2．上海市空间智能控制技术重点实验室．上海2()1109)摘要：对采用伴飞模式的大规模异面星座多补给星的燃料补给进行了研究。设计了补给星轨道的异面调整段、调相追击段、初始构型段、绕飞补给段和结束返回段．确定每颗补给星最优补给策略。为提高补给星的燃料利用率，用遗传算法分别对每颗补给星机动消耗的燃料质量及每次

2、转移给工作星的燃料质量进行优化求解。研究对基于伴飞模式的大规模异面星座燃料补给中单颗补给星补给能力有限问题解决有一定的参考价值。关键词：异面星座；燃料补给；多补给星；伴飞模式；最优规划；遗传算法；多旅行商(MTSP)中图分类号：V448文献标志码：ADOI：10．19328／j．cnki．1006—1630．2016．02．002MissionResearchofMultipleSupplyingSatelliteofNon—CoplanarConstellationBasedonFormationFlightModeXIA()Dong—dong】

3、一．ZHUQing—hual2．ZULi—ye‘‘!(1．ShanghaiInstituteofSpaceflightControl’Fechnology，Shanghai20109，China；2．ShanghaiKeyI．aboratoryofSpaceIntelligentControlTeehnology，Shanghai201109．China)0引言随着航天技术飞速发展，空间在轨服务已受到广泛关注，而作为其主要功能之一的在轨燃料补给成为研究热点。近30年来，NASA、美国国防部，以及其他科研机构对航天器的在轨补给进行了大量研究并获得丰硕

4、成果。20世纪90年代初，Martin公司等首先完成了相应燃料补给的硬件设计。。。。之后，NASA进行了多次空间捕获和转移液体的可行性验证，均获得了成功一1。j。此后，在轨补给规划成收稿日期：2015一05—05；修回日期：2015-05—22作者简介：肖东东(1989)．男，硕士，主要研究方向为轨道设计、航天器ON(7技术等。为研究热点，补给具体方式依赖于传统的交会对接技术。因航天器整体交会对接的实现难度高、风险大，不太适于解决星座的多星系统补给问题。借鉴飞机的空中加油模式，徐波等提出了基于伴飞模式的星座燃料补给设想：无需航天器的整体交会对接，仅

5、要求航天器在伴飞的同时进行部分燃料补给设备的对接，这样可极大提高对星座的多星系统进行燃料补给的可靠性一6。受单颗补给星补给能力有限的约束，对大规模异面星座需采取多颗补给星补给策略。因此，在满足各种约束条件下对星座的在轨补给全过程进行规划，对提高燃料利用率有很大的研究价值。本文基于伴飞模式的补给，对大规模异面星座的多星系统补给任务进行了研究。．嘴-暑此_吾恤一蒯耋-一一肌一一脚?㈣㈣一曲‰一灿一～一神岫一～一一～～一一～肌_要蒯勘幽小一一一一～一一一一洲～⋯础枷龇㈣一一一Ⅲ一～．一～～～一批嘛一哪一洲一¨小袖删Ⅲ～一薹‰m⋯撇㈨．，■咐一蛳肌一酬咄一

6、一熏1一一一一一一～一～～一上海航天AER()SPACESHANGHAl第33卷2016年第2期1补给星轨道设计补给星可从地表发射，也能在接到补给指令后从专用停泊轨道开始机动。本文采用停泊轨道补给方式，假设停泊轨道为圆轨道且低于工作星轨道。令提供燃料的卫星为补给星(S)，接受燃料的卫星为工作星(W)。设共有补给星S颗且均在同一轨道面内．为S，(i—l，2，⋯，S)；需补给的工作星星座包含N个半径均为R。的圆轨道W，(』一1，2，⋯，N)；任意两轨道面互不共面，每个轨道面均仅有工作星1颗。在地心赤道坐标系中，确定轨道平面的轨道要素为轨道倾角i和升交点

7、赤经n。设任意两轨道面间夹角为0¨则COS0u—COSi，COSiJ+sini，COSiJ×cos(n，一n，)．(1)补给星运行轨道包括异面调整、调相追击、初始构型、绕飞补给和结束返回五个阶段。考虑补给任务的实际，对完成任务的总时间不作限制。1．1异面调整段如图1所示，位于初始停泊轨道的补给星在接到补给指令后，补给星从点A出发对第一颗需要补给的工作星进行补给时，本文采用参考文献[7]的非共面圆轨道间能量最优的双共切线转移轨道。补给星由相应的双共切线转移轨道机动至点B。设在点A、B产生的速度增量分别为Av，，Av。，相应的补给星运行轨迹如图1的I段

8、所示。当补给星完成对工作星i的补给后再对第歹颗工作星补给时，综合考虑燃料消耗及完成机动任务的安全可靠性，在两轨道交线处进行