● 摘要
当前，随着我国航天事业的发展和国防任务的需要，快速轨道机动作为空间攻防对抗领域的关键技术之一，具有日益增长的工程需求，前景十分广阔。其策略规划，在考虑燃料有限、推力有限、测控条件有限以及与目标航天器相位关系不定的情况下，必须连同追踪航天器的待命轨道、目标航天器的运行轨道、测控网的分布情况等一起考虑，实质上是一个多约束多目标优化问题，采用传统的轨道机动规划技术很难解决。本文针对国内快速轨道机动技术研究相对薄弱的现状，着重对机动策略规划与优化设计、机动策略修正及近程相对轨道控制等问题进行了系统的研究，主要的工作和成果可以归纳为以下几个方面： 1)在对问题进行一般描述的基础上，提出了一种引入一段Lambert交会的N次变轨模式，省略掉了两个设计变量，成功消除了动力学的等式约束，适用于轨道机动的各种形式；据此建立了快速机动策略规划问题的优化模型，选用改进的遗传算法进行求解，综合运用浮点数编码、操作算子多样化和控制参数自适应等技术，保证了其速度和寻优能力；在优化设计中，通过约束加权阈值的应用，把机动策略最优问题和约束限制问题组合起来，确保了寻优结果对约束条件的满足； 2)论述了多圈Lambert交会的必要性，比较了几种常用算法的特点，给出了所选用的普适变量图解迭代法的求解思路； 3)讨论了快速机动策略规划过程中常见的几种约束条件，包括测控约束、日照约束和机动约束等，建立了测控约束的数学模型，提出并重点阐述了变轨点之间可测控约束的区间划分逐级分解的处理策略及其判断流程； 4)通过典型算例验证了本文策略规划方法的正确性和有效性；提出了交战概率的概念，并基于此对具有工程意义的太阳同步轨道最优机动问题进行了研究，讨论了高度差、升交点赤经差及时间资源的影响，给出了待命轨道规划结果； 5)对机动策略修正问题进行了系统研究，介绍了脉冲式策略到有限推力式策略的转换，提出并详细论述了基于等时脱靶量概念和打靶迭代原理的离线修正算法及基于相对轨道要素向量概念、J4解析轨道预报器和L-BFGS-B优化方法的在线修正算法，能够完善地解决工程实际中大范围机动的精度问题； 6)对近程飞行阶段的相对轨道控制问题进行了研究，利用相对轨道要素描述相对运动，设计了以相对轨道要素为状态量的相对导航滤波器；利用相对轨道要素机动控制方程，实现了对近程飞行各阶段不同控制目标的制导控制；与基于C-W方程的相对轨道控制策略相比，能够提高相对导航精度，实现对非合作机动目标的稳定伴飞控制。本文对航天器快速轨道机动策略规划问题进行的研究工作，是一次很有意义的全新的探索。所得到的机动策略规划方法，不仅能够满足应急和快速反应的需要，为航天器的高度自主、快速机动和精确交战能力提供技术基础，而且对目前常用的手动规划方法是一个很好的补充，对民用航天器轨道机动也具有一定的参考意义和应用价值。