● 摘要
航天器自主交会技术是航天领域的一项关键技术，广泛应用于空间站建设、后勤补给、空间救援、深空探测以及军事航天等任务，因此成为了国际航天领域研究的热点之一。本文从我国航天器自主交会的未来需求出发，开展了相应的研究，目的是为我国未来的空间自主交会任务提供相应的理论基础和技术支持。 论文针对自主交会过程的四个阶段（远程导引段、自动寻的段、最终逼近段和对接合拢段），分析了国内外相关研究的进展情况，并归纳了有待进一步深入研究的轨道动力学和控制问题。 首先介绍了本文采用的两种绝对运动方程，即Cowell方程和Gauss摄动方程以及几种相对运动方程，包括C-W方程、各种改进后的C-W方程和采用相对轨道要素表示的相对运动方程，并分析和比较了各自的精度和适用范围。 研究了航天器采用Lambert二脉冲变轨的优化问题。对于初始位置、目标位置和转移时间都不固定的Lambert二脉冲转移，采用自适应模拟退火遗传算法(ASAGA)找到了其最优解。同时，分析研究了轨道转移中的中途修正问题，并引入了改进后的蚁群算法，用于最优修正策略的设计。设计了航天器绕飞轨道保持与控制策略。针对控制力无约束的情况，将环境摄动和推力误差考虑进相对运动方程中，构成不确定系统，并根据该系统设计了控制律。针对控制力定常的情况，采用人工势函数法实现了构型维持控制，有效地应用于实际工程中。 针对航天器的长期稳定伴飞问题，在采用定常推力的条件下，提出了基于改进后的C-W方程和相对轨道要素方程的综合控制方法。首先利用变结构控制律设计了稳定伴飞的初始化控制律，并根据摄动方程，设计了长期伴飞的控制策略，使燃料消耗和伴飞效果均满足长期稳定伴飞的要求。 提出了在缺少绝对轨道信息时的航天器椭圆轨道自主交会方法。利用Lawden方程描述椭圆轨道下的两星相对运动关系，将方程中和轨道信息有关的时变参数看成是不确定量，并分别采用自适应学习控制、自适应控制和鲁棒滑模控制方法设计了自主接近的控制律。 研究了航天器主动防撞问题。介绍了用于判断航天器是否可能发生碰撞的安全区域判定法，并分别设计了椭球型与球型安全区域的碰撞判断原则和两个椭球型安全区域之间的碰撞判断原则。利用轨道平面内控制力的耦合效应，设计了在某一方向推力器失效情况下的轨道转移控制律，实现了主动防撞。 对上述所有理论研究结果进行了仿真验证。