● 摘要
轨道机动是航天任务中的重要环节；轨道机动动力学研究一直是航天任务设计的重要内容。目前的飞行器轨道控制技术主要依赖于推进系统。自航天技术兴起以来，航天飞行器推进系统主要采用化学推进。在近几十年来，以电推进为代表的小推力推进，逐渐发展成为又一可供选择的推进技术。其特点为：推力水平低、工作寿命长、可实现多次机动和连续机动、引起的振动小、比冲高。本文主要研究了轨道机动动力学模型，轨道机动涉及的最优控制问题及其数值解法，并在此基础上对连续小推力作用下的航天器轨道机动任务进行了研究。首先，给出了轨道机动动力学研究中常用的2种坐标系以及5种模型；分析比较了各自的特点，考虑各方面的因素，得出结论：利用改进春分点要素描述的模型有最佳的适用性，而在初步研究阶段宜采用极坐标系下的模型。其次，给出了轨道机动所涉及的最优控制问题描述，对数值求解最优控制问题进行了较为全面的分析，对间接法、直接法基本的思路、特点进行了剖析，给出了一种间接方法：一阶梯度法，以及一种直接法：Legendre-Gauss-Lobbato Pseudospectral （LGL）伪谱法的具体实现流程，并针对具体的算例进行求解，验证了LGL伪谱法的有效性；对比了两种算法的效率，求解精度。最后，通过与脉冲推力机动的对比，阐明了小推力任务的特点。定义了三类最优化指标与两类机动模式；在此基础上，针对极坐标系下描述的小推力近地空间轨道机动任务进行了研究，涉及点到点机动与轨道转移两种类型；针对特定模式下的机动方案进行了初步效能分析；最后还在改进春分点要素建立的模型下，考虑J2摄动项进行了算例计算。通过与相关文献结果的对比，验证了算法。