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1、本科毕业设计论文本科毕业设计论文 题题 目目 非合作目标的相对运动设计与演示 专业名称 飞行器设计与工程 学生姓名 指导教师 毕业时间 2012 年 6 月 毕业任务书毕业任务书 一 题目 非合作目标的相对运动设计与演示 二 指导思想和目的要求 1 掌握资料检索与查阅 分析与总结的方法 2 了解科学研究的过程 掌握科学研究的基本方法 3 掌握利用所学知识分析问题和解决问题的基本方法 4 掌握科技论文写作的过程和方法 三 主要技术指标 1 查阅相关资料 撰写与所作毕业论文内容相关的综述报告 2 了解相对运动基本原理 STK 设计的基本方法 特别是非合作目标 的相对运动建模方法 完成非合作目标相对
2、运动的模式设计 数学 建模 采用 C 或 Matlab 完成算法编程实现 结合设定的非合作 目标运动背景完成算法验证 利用 STK 显示非合作目标运动场景 3 翻译相关的英文科技文章 2000 3000 字 4 撰写毕业设计论文一篇 四 进度与要求 第 3 5 周 收集和查阅资料 进行相关资料阅读 分析和总结 收集和 查阅非合作目标相对运动建模方法 STK 等方面资料 进行 相关资料阅读 分析和总结 提交综述报告 第 6 周 撰写开题报告 并进行讨论和交流 完成英文翻译 第 7 9 周 了解并掌握相对运动原理 梳理非合作相对运动模式 完成 算法推导设计 第 10 12 周 完成非合作目标的相对
3、运动算法编程 调试和计算 第 13 15 周 基于 STK 完成相对运动的场景演示 第 16 17 周 撰写毕业设计论文 第 18 周 准备论文答辩 五 主要参考书及参考资料 1 高有涛 陆宇平 徐波 非合作目标编队飞行耦合动力学建模与六自由度控制 J 南 京航空航天大学学报 2010 42 2 159 165 2 Y K Li Z L Jing S Q Hu Redundant adaptive robust tracking of active satellite and error evaluation J IET Control Theory Appl 2010 Vol 4 Iss 1
4、1 pp 2539 2553 3 Shunan Wu Zhaowei Sun Gianmarco Radice etc Guidance algorithms for proximity to target spacecraft J Aircraft Engineering and Aerospace Technology 2011 Vol 83 Num 3 pp 146 153 4 李俊峰 雪丹 编队卫星相对运动描述方法综述 J 宇航学报 2008 29 6 1689 1694 5 唐国金 罗亚中 张进 交会对接任务规划 M 北京 科学出版社 2008 6 袁建平 和兴锁 航天器轨道机动动力
5、学 M 北京 中国宇航出版社 2010 学生 指导老师 系主任 主管院长 摘摘 要要 随着人类探索 开发和利用外层空间的深入 诸如故障航天器的在轨捕获 与维修 空间垃圾清除等课题已成为航天技术发展需要面对和解决的课题 而 非合作目标的伴飞技术是解决这些问题必需的关键技术 空间非合作目标飞行 器一般泛指一类不能提供有效合作信息的空间物体 包括故障或失效卫星 空 间碎片等 本文针对空间非合作飞行器操作中的接近问题进行了研究 主要研 究内容包括 1 非合作目标相对运动建模 根据非合作目标特点 选择追踪飞行器视线 坐标系作为相对运动基准 在此基础上建立了非合作目标飞行器相对于追踪飞 行器在视线坐标系下
6、的相对运动方程 并讨论了无控情况下相对运动方程的解 析解 2 比例导引自主接近实现 推导了相对运动方程的状态方程形式 在此模 型下基于视线坐标系探讨了非合作目标空间交会的比例导引模型 利用该导引 模型对静态非合作目标和动态非合作目标两种典型工况下的接近制导进行了仿 真 验证了比例导引模型的有效性 3 基于 STK 软件中的动画演示 通过 STK 场景设置 模型编辑和外部星 历格式设定 完成基于比例导引策略的空间非合作目标交会动画演示 关键词 非合作目标 相对运动 比例导引 STK ABSTRACT There is a demand for the ability to autonomousl
7、y inspect or rendezvous with non cooperative target due to the continuous increase of orbit activity This technique may be used for servicing a malfunctioning satellite re fueling a powerless satellite or collecting and removing space debris The control methods for rendezvous with non cooperative ta
8、rget are studied The main contents of this dissertation are as follows 1 Modeling relative motion in non cooperative cases First considering the characteristics of non cooperative target the line of sight coordinate system in chaser is selected as the basis of the coordinates Then the relative motio
9、n equations in chaser s line of sight coordinate system are established Finally the relative motion equations for analytic solution are deduced in uncontrolled cases 2 Autonomy approaching based on proportional guidance law The form of state equation of relative motion equations is deduced The guida
10、nce model for the phase of space rendezvous in state space is discussed and guidance relationship of proportional navigation under the line of sight coordinate system is given Simulations of the approaching guidance for two typical working conditions the static and dynamic non cooperative targets ar
11、e carried out Validity of the proportional guidance model is verified 3 Cartoon showing in STK Based on STK scenario setting model editing and external ephemeris formatting simulation results under the two typical operating conditions are demonstrated with cartoon in STK Keywords non cooperative tar
12、get relative motion proportional guidance STK 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 目目 录录 III 第第 1 1 章章绪论绪论 1 1 1研究背景和现状 1 1 1 1非合作目标研究背景和意义 1 1 1 2非合作目标国内外研究现状 2 1 2相对轨道模型和随动跟踪 3 1 2 1相对轨道模型的研究 3 1 2 2相对轨道下的随动跟踪 4 1 3空间目标接近段制导策略研究现状 6 1 4STK 软件简介 7 1 5研究内容及章节安排 7 第第 2 2 章章相对运动动力学建模相对运动动力学建模 9 2 1相对运动坐标系的定义 9 2
13、 2视线坐标系的相对运动模型 12 2 3无控情况下相对运动方程解析解 13 2 4本章小结 14 第第 3 3 章章基于比例导引法的自主接近控制基于比例导引法的自主接近控制 15 3 1相对运动的状态空间模型 15 3 2比例导引律设计 16 3 3算法流程 17 3 4本章小结 18 第第 4 4 章章数值仿真与计算数值仿真与计算 19 4 1初始状态设定 19 4 1 1轨道参数设定 19 4 1 2追踪星推力加速度限定 20 4 1 3接近策略 20 4 2流程设定 21 4 3比例导引法仿真计算结果 21 4 3 1仿真工况 21 4 3 2静态目标仿真结果 21 4 3 3动态目标
14、仿真结果 24 4 4本章小结 27 第第 5 5 章章STKSTK 动画演示动画演示 28 5 1STK 软件功能模块 28 5 2STK 动画实现 29 5 2 1场景创建和设置 29 5 2 2航天器模型编辑 29 5 2 3外部星历文件 31 5 3仿真结果演示 32 5 3 1静态目标 32 5 3 2动态目标 33 5 4本章小结 35 第第 6 6 章章总结与展望总结与展望 36 6 1主要工作和研究内容 36 6 2不足与展望 36 参考文献参考文献 38 致致 谢谢 40 毕业设计小结毕业设计小结 41 第 1 章 绪论 1 1 研究背景和现状 1 1 1 非合作目标研究背景
15、和意义 继陆地 海洋 空中之后 空间成为人类的第四块生存要地 随着航天技 术的发展 它在科研 国防 经济 政治以及社会生活等各个方面的战略地位 日益提升 感知 进入 利用进而控制空间的水平已成为衡量各国综合实力强 弱的标准 尤其对于以海 陆 空 天一体化的网络中心战为核心的未来高技 术战争来说 制天权无疑成为优势争夺的关键所在 以针对不同目标进行操作 为代表的空间操作或空间任务是夺取制天权的关键技术之一 从目前的发展情况来看 合作目标的交会对接技术已经发展较为成熟 并 成功用于空间站的在轨组装与后勤补给 行星取样返回任务等 如图 1 1 所示 而对于非合作目标的交会对接技术仅有少量研究成果 目
16、前国际上也正积极开 展非合作目标的交会与捕获技术的研究 发展非合作目标的交会是对原有交会 对接范围和领域的拓展 使对交会对接的研究从合作目标升级到对更复杂 难 度更大的非合作目标的研究 以满足空间任务的需求 a Discovery 与国际空间站交会 b Atlantis 与国际空间站对接 图 1 1 合作目标空间操作任务 随着人类探索 开发和利用外层空间的深入及太空战的需求 对空间目标 伴飞技术提出了更高的要求 诸如故障航天器的在轨捕获与维修 空间垃圾清 除及太空防卫等课题已成为航天技术发展需要面对和解决的课题 而非合作目 标的伴随飞行技术是解决这些问题必需的关键技术 1 4 综上 论文着眼于未来空间任务的发展对非合作目标伴随飞行技术的需求 牵引 紧紧围绕摄影测量学科的基本理论和研究成果 对非合作目标交会近距 离阶段相对导航参数的测量算法进行一系列研究 目的在于探索传统导引方法 在非合作航天器接近中应用的可行性 论文的研究意义在于研究成果可以成为 解决非合作目标拦截或交会的一个有价值的参考 并对相关空间任务领域的应 用和军事应用的发展具有积极作用 1 1 2 非合作目标国内外研究现状
