留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

航天器受迫绕飞构型设计与控制

张冉 殷建丰 韩潮

张冉, 殷建丰, 韩潮等 . 航天器受迫绕飞构型设计与控制[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(10): 2030-2039. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0768
引用本文: 张冉, 殷建丰, 韩潮等 . 航天器受迫绕飞构型设计与控制[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(10): 2030-2039. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0768
ZHANG Ran, YIN Jianfeng, HAN Chaoet al. Spacecraft forced fly-around formation design and control[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(10): 2030-2039. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0768(in Chinese)
Citation: ZHANG Ran, YIN Jianfeng, HAN Chaoet al. Spacecraft forced fly-around formation design and control[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(10): 2030-2039. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0768(in Chinese)

航天器受迫绕飞构型设计与控制

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0768
详细信息
    作者简介:

    张冉  男, 博士研究生。主要研究方向:航天器编队飞行动力学与控制

    韩潮  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:航天器动力学与控制、航天器导航、制导与控制、航天系统动力学仿真等

    通讯作者:

    韩潮, E-mail: hanchao@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V412.4

Spacecraft forced fly-around formation design and control

More Information
  • 摘要:

    针对航天器在轨服务任务对绕飞技术的要求,研究了航天器受迫绕飞构型设计和控制问题。基于C-W(Clohessy-Wiltshire)方程的解析解,提出了双水滴拼接绕飞构型,并将单脉冲或双脉冲受迫绕飞延展至多脉冲绕飞构型设计;推导了伴随航天器初始状态变量与绕飞构型形状参数的关系,得到了4种构型的解析表达式和脉冲控制策略。通过数值仿真算例验证了设计的4种绕飞构型能够实现伴随航天器的慢速绕飞和快速绕飞,比较了不同绕飞构型的燃料消耗和绕飞距离误差。数值结果表明,双水滴拼接绕飞构型总脉冲最小。研究成果完善了航天器受迫绕飞构型设计与控制的相关理论,为工程应用提供参考。

     

  • 图 1  参考航天器LVLH坐标系

    Figure 1.  Reference spacecraft LVLH coordinate system

    图 2  自然绕飞构型示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of natural fly-around formation

    图 3  双椭圆拼接绕飞构型示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of bi-elliptic joint fly-around formation

    图 4  水滴绕飞构型示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of teardrop fly-around formation

    图 5  不同绕飞周期系数的水滴绕飞形状

    Figure 5.  Teardrop fly-around shapes with different fly-around period coefficients

    图 6  双水滴拼接绕飞构型示意图

    Figure 6.  Schematic diagram of bi-teardrop joint fly-around formation

    图 7  多脉冲绕飞构型示意图

    Figure 7.  Schematic diagram of multi-impulse fly-around formation

    图 8  受迫绕飞总脉冲随脉冲次数曲线

    Figure 8.  Curves of forced fly-around total impulse with numbers of impulse

    图 9  不同脉冲次数慢速绕飞构型形状示意图

    Figure 9.  Schematic diagram of slow fly-around formation shape with different numbers of impulse

    图 10  不同脉冲次数快速绕飞构型形状示意图

    Figure 10.  Schematic diagram of fast fly-around formation shape with different numbers of impulse

    图 11  不同慢速绕飞构型示意图

    Figure 11.  Schematic diagram of different slow fly-around formations

    图 12  不同快速绕飞构型示意图

    Figure 12.  Schematic diagram of different fast fly-around formations

    图 13  绕飞单位化脉冲随绕飞周期变化曲线

    Figure 13.  Curves of fly-around unitized impulse with different fly-around periods

    图 14  绕飞距离误差随绕飞周期变化曲线

    Figure 14.  Curves of fly-around distance errors with different fly-around periods

    表  1  慢速绕飞总脉冲比较

    Table  1.   Comparison of slow fly-around total impulse

    绕飞
    构型
    次数 方向 总脉冲大小/
    (m·s-1)
    单位化脉冲/
    (m·s-1·km-1)
    双椭圆
    拼接绕飞
    2 径向 2.03 0.893
    单水滴
    绕飞
    1 径向 1.275 0.891
    双水滴
    拼接绕飞
    2 迹向 0.622 0.366
    多脉冲
    绕飞
    3 混合 1.299 1.145
    下载: 导出CSV

    表  2  快速绕飞总脉冲比较

    Table  2.   Comparison of fast fly-around total impulse

    冲绕飞
    构型
    次数 方向 总脉冲大小/
    (m·s-1)
    单位化脉冲/
    (m·s-1·km-1)
    双椭圆
    拼接绕飞
    2 径向 2.895 3.019
    单水滴
    绕飞
    1 径向 5.79 2.997
    双水滴
    拼接绕飞
    2 迹向 2.841 2.00
    多脉冲绕飞
    3 混合 3.049 3.315
    下载: 导出CSV
  • [1] WALTZ D M.On-orbit servicing of space systems[M].Malabar:Krieger Publishing Company, 1993:193-227.
    [2] 崔乃刚, 王平, 郭继峰, 等.空间在轨服务技术发展综述[J].宇航学报, 2007, 28(4):805-811. http://youxian.cnki.com.cn/yxdetail.aspx?filename=HKXB20170609001&dbname=CAPJ2015

    CUI N G, WANG P, GUO J F, et al.A review of on-orbit servicing[J].Journal of Astronautics, 2007, 28(4):805-811(in Chinese). http://youxian.cnki.com.cn/yxdetail.aspx?filename=HKXB20170609001&dbname=CAPJ2015
    [3] 陈小前, 袁建平, 姚雯, 等.航天器在轨服务技术[M].北京:中国宇航出版社, 2009:153-168.

    CHEN X Q, YUAN J P, YAO W, et al.Spacecraft on orbit service technology[M].Beijing:China Aerospace Press, 2009:153-168(in Chinese).
    [4] SABOL C, BURNS R, MCLAUGHLIN C A.Satellite formation flying design and evolution[J].Journal of Spacecraft and Rockets, 2001, 38(2):270-278. doi: 10.2514/2.3681
    [5] CLOHESSY W H, WILTSHIRE R S.Terminal guidance system for satellite rendezvous[J].Journal of the Areospace Sciences, 1960, 27(9):653-658. doi: 10.2514/8.8704
    [6] MASUTANI Y, MATSUSHITA M, MIYAZAKI F.Flyaround maneuvers on a satellite orbit by impulsive thrust control[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation.Piscataway, NJ:IEEE Press, 2001:421-426.
    [7] 赵书阁, 张景瑞.航天器共面圆型快速绕飞控制研究[J].航天控制, 2014, 32(1):68-72. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HTKZ201401014.htm

    ZHAO S G, ZHANG J R.A study on trajectory control of spacecraft in-plane circular fast fly-around[J].Aerospace Control, 2014, 32(1):68-72(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HTKZ201401014.htm
    [8] 罗建军, 周文勇, 袁建平.卫星快速绕飞轨迹设计与制导[J].宇航学报, 2007, 28(3):628-632. http://youxian.cnki.com.cn/yxdetail.aspx?filename=KZYC20170910027&dbname=CAPJ2015

    LUO J J, ZHOU W Y, YUAN J P.A general method of trajectory design and guidance for fast satellite circumnavigation[J].Journal of Astronautics, 2007, 28(3):628-632(in Chinese). http://youxian.cnki.com.cn/yxdetail.aspx?filename=KZYC20170910027&dbname=CAPJ2015
    [9] 罗建军, 杨宇和, 袁建平.共面快速受控绕飞轨迹设计与控制[J].宇航学报, 2006, 27(6):1389-1392. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YHXB200606053.htm

    LUO J J, YANG Y H, YUAN J P.Trajectory design and control of in-plane fast controlled flyaround[J].Journal of Astronautics, 2006, 27(6):1389-1392(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YHXB200606053.htm
    [10] 朱彦伟. 航天器近距离相对运动轨迹规划与控制研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2009. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-90002-2009213058.htm

    ZHU Y W.Trajectory planning and control for spacecraft proximity relative motion[D].Changsha:National University of Defense Technology, 2009(in Chinese). http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-90002-2009213058.htm
    [11] STRAIGHT S D.Maneuver design for fast satellite circumnavigation[D].Dayton:Air Force Institute of Technology, 2004.
    [12] HOPE A S, TRASK A J.Pulsed thrust method for hover formation flying[J].Advances in the Astronautical Sciences Series, 2003, 116:2423-2434. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20030093749.pdf
    [13] LOVELL T A, TOLLEFSON M V.Calculation of impulsive hovering trajectories via relative orbit elements[J].Advances in the Astronautical Sciences, 2006, 123(3):2533-2548.
    [14] RAO Y R, YIN J F, HAN C.Hovering formation design and control based on relative orbit elements[J].Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 2016, 39(2):360-371. doi: 10.2514/1.G001238
    [15] 王功波, 孟云鹤, 郑伟, 等.快速绕飞卫星空间圆编队设计方法[J].宇航学报, 2010, 31(11):2465-2470. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2010.11.005

    WANG G B, MENG Y H, ZHENG W, et al.Fast fly around satellite space circle formation design[J].Journal of Astronautics, 2010, 31(11):2465-2470(in Chinese). doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2010.11.005
    [16] 朱小龙, 刘迎春, 高扬.航天器最优受控绕飞轨迹推力幅值延拓设计方法[J].力学学报, 2014, 46(5):756-769. http://youxian.cnki.com.cn/yxdetail.aspx?filename=BJHK20170527002&dbname=CAPJ2015

    ZHU X L, LIU Y C, GAO Y.Thrust-amplitude continuation design approach for solving spacecraft optimal controlled fly-around trajectory[J].Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2014, 46(5):756-769(in Chinese). http://youxian.cnki.com.cn/yxdetail.aspx?filename=BJHK20170527002&dbname=CAPJ2015
    [17] MULLINS L D.Initial value and two point boundary value solutions to the Clohessy-Wiltshire equations[J].Journal of the Astronautical Sciences, 1992, 40(4):487-501. doi: 10.1007%2Fs10569-010-9269-3.pdf
  • 加载中
图(14) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  1448
  • HTML全文浏览量:  202
  • PDF下载量:  1447
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-09-29
  • 录用日期:  2016-12-16
  • 网络出版日期:  2017-10-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答