基于相对轨道要素的区域悬停轨道设计与控制方法研究

Hovering orbit research is a key content of the on-orbit servicing technical study. A region hovering orbit is a relative motion orbit that the mission spacecraft is controlled within the designated area relative to the target spacecraft for a period of time. The region hovering is not involving continuous coupling control of attitude and orbit which makes the spacecraft control system requirements effectively reduced. Hence, the region hovering provides a new way for the spacecraft to perform the on-orbit servicing mission. Based on the fact that the current region hovering orbit design and control method can only be used in an ideal situation with a single control mode, this research project proposes the use of relative orbit elements with a slow variable characteristic as state variables. Then given the conditions of complex constraints, a method for designing the fuel-optimal region hovering orbit is established. And a closed loop control technology for maintaining the region hovering orbit configuration are studied under the influence of the multiple disturbance factors. Finally, the method research of the region hovering design and control based on relative orbit elements is accomplished. A spacecraft orbit simulation system is developed to simulate and verify the whole orbit control process of the region hovering mission. The research project is intended to expand the application space of the hovering orbit, and promote the development of the on-orbit servicing technology.

悬停轨道的研究是在轨服务技术攻关的关键内容之一。区域悬停轨道是指任务航天器在控制力的作用下，一段时间内在相对于目标航天器指定区域内的相对运动轨道。区域悬停的整个过程不涉及姿轨耦合的连续控制，能够有效降低对星上控制系统的要求，为航天器执行在轨服务任务提供了一种新的途径。本项目针对当前区域悬停轨道设计与控制方法存在的假设前提过于理想化、控制模式单一以及适用范围有限等诸多不足，提出以具有慢变量特性的相对轨道要素作为状态变量，建立复杂约束条件下的燃料最优区域悬停轨道设计方法，突破多扰动因素影响下的区域悬停轨道构型保持闭环控制技术，完成基于相对轨道要素的区域悬停轨道设计与控制方法研究，并通过开发航天器轨道仿真系统对区域悬停任务轨道控制全过程进行仿真验证，研究成果将有助于拓展悬停轨道的应用空间，并推动在轨服务技术的发展。

本项目瞄准航天器在轨服务技术对悬停轨道设计与控制方法的迫切需求，针对传统方法存在的假设前提过于理想化、控制模式单一以及适用范围有限等不足，重点围绕复杂约束条件下的燃料最优区域悬停轨道设计方法、多扰动因素影响下的区域悬停轨道构型保持闭环控制技术和航天器区域悬停全过程控制与仿真验证三个部分开展了研究，并取得以下重要结果：（1）考虑悬停时长、受限区域、控制力大小等约束条件，结合基于相对轨道要素的椭圆轨道相对运动模型，完成了多脉冲区域悬停轨道设计与构型描述方法研究、常值连续推力区域悬停轨道设计方法研究，并进一步发展了多脉冲推力控制下的燃料最优区域悬停轨道设计方法，实现了任务航天器相对于椭圆轨道目标航天器在任意指定区域内的长期悬停；（2）针对真实空间环境中各类摄动力以及星上测量设备误差等可能导致的区域悬停轨道构型发散问题，采用拟平均根数法，建立了基于相对轨道要素的椭圆轨道高精度受摄相对运动模型，提出了求解修正区域悬停轨道的迭代计算流程，形成了摄动力影响下的多脉冲、常值连续推力区域悬停轨道构型保持闭环控制方法，并通过研究相对轨道要素估计值计算方法和区域悬停轨道构型位置修正策略，建立了测量误差影响下的区域悬停轨道构型保持闭环控制方法；（3）通过引入相对Lambert 转移的概念，在构型控制总时长具有约束的条件下，结合差分进化算法，对两次脉冲控制起止时刻、控制终端位置进行优化，得到了用于区域悬停轨道构型初始化与重构的燃料最优双脉冲控制策略，并开发了航天器轨道仿真软件，模拟了区域悬停任务轨道控制全过程。项目研究成果拓展了区域悬停轨道的应用空间，发展了基于相对轨道要素的相对运动理论，有望为未来航天器悬停的实际应用提供理论方法与技术支撑。