小卫星编队绕飞构型运动学设计与分析研究

基于运动学的相对运动数学模型,利用物理意义更明确的绕飞方程进行了小卫星绕飞轨道的设计.根据绕飞轨道方程,重点分析了4类常用的绕飞编队构型:同绕飞轨道编队、同面同绕飞中心编队、异面同绕飞中心编队和多绕飞中心编队,总结分析了各种编队轨道设计的约束条件,获得了一般规律性结论.最后通过仿真验证了所提出的绕飞编队轨道设计方法和结论的正确性.     

伴随卫星接近绕飞的轨道控制方法研究

针对伴随卫星以共面方式接近目标星飞行、并最终实现共面绕飞这一 问题进行了研究。提出了通过轨道调相控制实现轨道接近,并且兼顾实现绕飞轨道构型参数 的方法。仿真实例表明,提出的接近绕飞轨道控制方法成功地实现了伴随卫星相对目标星的 接近和绕飞,很好地达到了绕飞轨道构型的参数指标要求。
     

服务航天器主动绕飞观测的建模与控制

围绕服务航天器对目标任意方位绕飞观测操作,提出一种可灵活配置多种相对运动构型的绕飞建模方法。将绕飞分为过渡过程和绕飞过程2个阶段。通过对绕飞过渡过程采用S型速度曲线进行规划,使服务飞行器从任意初始方位平稳地进入绕飞平面。定义轨迹规划坐标系和期望姿态坐标系,将三维绕飞观测转化为二维轨迹设计与期望姿态解算,实现了绕飞观测的降维设计。定义期望绕飞矢量,实现绕飞构型的灵活配置。建立了相对轨道误差动力学模型,将对绕飞轨迹的跟踪控制转化为对跟踪误差的调节器设计。综合考虑轨道、姿态与挠性附件振动间的耦合作用,设计了基于模态观测器的姿轨联合控制律。数学仿真结果表明了该方法的正确性。     

空间目标多星多角度实时近距离三维详查研究

针对现有观测卫星近距离观测研究较少关注详查等任务特性的现状,设计分析了可实时、全覆盖、近距离观测空间目标的卫星编队构型。综合考虑绕飞相对轨道运动、传感器视场参数、旋转目标坐标转换等因素,简化了空间目标模型,将其表面进行网格离散。分析了各网格被单颗观测卫星观测的情况,统计详查覆盖率、详查最短时间,分析不同绕飞距离对任务特性的影响;设计卫星观测光轴转动策略和多星编队协同观测策略,通过数值算例分析不同策略对卫星近距离观测任务的影响。结果表明:所设计的绕飞编队观测构型可满足实时、全覆盖观测空间目标的要求,可应用于绕飞监测、协同操作等近距离空间在轨操作任务。     

共面快速受控绕飞轨迹设计与控制

绕飞运动在航天器在轨服务与在轨支援、辅助航天员舱外活动、航天器编队飞行、空间交会对接等空间活动中具有重要应用。分析了快速受控绕飞的可行性和主要过程，建立了适用于目标航天器运行在圆轨道上的共面快速绕飞和进入绕飞与退出绕飞的轨迹设计模型，采用多速度脉冲控制方法和等角度，等时间控制方式对绕飞轨迹进行控制。仿真计算结果表明所提出的快速受控绕飞轨迹设计模型和控制方法可以实现对圆轨道目标航天器的共面快速受控绕飞。     

绕飞轨道(绕飞角＞360°)动力学和控制策略--微小卫星一种新的应用概念

本文研究微小卫星围绕空间站飞行，监视空间站运行和外观状态，减少航天员舱外活动。这是小卫星一种新的应用概念。文章主要研究绕飞轨道动力学和稳定性，以及在有摄动情况下保持绕飞轨道的控制策略。这种控制策略所消耗燃料非常少，根据仿真实验结果，绕飞卫星一个月时间仅消耗燃料的速度增量约为３～４ｍ／ｓ。     

微小卫星绕飞空间站的动力学和控制

研究微小卫星围绕空间站飞行，监视空间站运行和外现状态，减少航天员舱外活动。这是小卫星一种新的应用概念。本文主要研究绕飞轨道动力学和稳定性，以及在有摄动情况下保持绕飞轨道的控制策略。这种控制策略所消耗燃料非常少，根据仿真实验结果，绕飞卫星飞行一个月时间仅消耗燃料的速度增量约为3～4m／s。     

快速绕飞卫星空间圆编队设计方法

连续小推力条件下,针对圆参考轨道卫星,推导了满足快速绕飞条件的空间圆编队动力学模型。分析了一个绕飞周期内的燃耗情况。在绕飞周期确定的条件下,给出了最小燃耗的计算方法,并利用数值方法验证了所推导公式的正确性。计算结果表明,在高度为500km的圆轨参考道卫星实现周期为10分钟、半径100m的空间圆绕飞,一个绕飞周期所需最小速度增量约为4.77m/s。文章提出的基本设计原理并不局限于空间圆编队,也可用于其它快速绕飞编队的设计工作。
     

卫星快速绕飞轨迹设计与制导

快速绕飞在航天器近距离观测、空间目标识别与侦察、在轨服务与应急情况处理活动中具有重要应用。首先建立了适用于目标航天器运行在圆轨道或椭圆轨道的相对运动状态转移矩阵;然后,推导了采用多脉冲控制方法实现与目标航天器共面和异面快速绕飞、进入绕飞和退出绕飞的轨迹设计与制导的模型和算法;最后,分析了绕飞过程速度脉冲需求与绕飞参数的关系。仿真计算结果表明所提出的快速绕飞轨迹设计模型和制导算法可以用于对圆轨道或椭圆轨道目标航天器的共面或异面快速绕飞。     

小推力下卫星编队的非自然构型设计与控制

使用小推力控制可以得到许多独特的非自然卫星编队构型,主从星相对位置不变和从星圆形匀速绕飞构型是两类最典型的构型,建立了这两类编队构型的编队参数(主从星距离、空间方位和绕飞速度)与一天内燃料消耗的关系。进一步考虑存在初始误差时控制律的设计,指出PD控制律能够维持小初始误差编队构型,改进的PD控制律能够维持中等初始误差编队构型,而PD控制律和直接法相结合的混合控制律能够维持大初始误差编队构型,仿真结果验证了所设计控制律的有效性。     

用于对地观测定位的编队飞行卫星群轨道构形设计

编队飞行卫星群是一组小卫星,它们具有短的相对距离、相等的轨道半长轴和微小差别的其它轨道要素,它们形成相互伴随运动,并且具有一定的构形。提出将编队飞行卫星群的轨道设计技术应用于对地观测定位卫星系统中。根据设想的要求,针对由四颗伴随卫星围绕基准卫星(或一个虚拟的中心)飞行的轨道设计案例,初步分析了编队飞行卫星群的构形保持,地球引力和大气阻力的摄动影响等问题。     

基于平均轨道要素的干涉SAR编队构形设计方法研究

提出了一种在整个轨道周期内沿轨迹向和垂直轨迹向均存在稳定基线组合的三星编队，并在考虑J2摄动基础上给出了其轨道设计方法。依据系统任务要求给出了该队形设计的约束条件，初步确定了编队的平均轨道参数。为了使得空间基线在摄动情况下保持相对稳定，对卫星平均半长轴进行了小量修正。最后在卫星工具包（STK）下进行了高精度轨道仿真验证。结果表明，该方法设计的编队初始轨道参数能使空间基线保持稳定，在一个轨道周期内，垂直轨迹方向存在两条相同的稳定基线，沿轨迹方向存在一条稳定基线和两条周期性变化基线，能够同时满足DEM和GMTI任务要求。     

偶数重连续覆盖的Walker星座设计方法

针对期望覆盖重数为偶数重时连续覆盖Walker星座的构型设计问题,提出一种基于覆盖带理论的构型设计方法。首先分析同轨道卫星组成覆盖带时的构型设计特例,随后将结论推广,改进了传统Walker星座的构型表征形式并提出覆盖带构型参数。基于轨道参数的相平面映射,给出了异轨卫星组成覆盖带时特征宽度的计算方法。通过分析相平面上覆盖带的拼接情况,给出了轨道倾角的优化策略和偶数重覆盖任意纬度的Walker星座设计步骤。所提出方法能显著提高构型枚举效率,且能满足不同纬度范围的覆盖需求。仿真表明,该方法能减少约10%覆盖所需的卫星数量,并能通过调整构型参数进一步优化轨道面数量。     

编队队形的等交点周期设计方法

在分析编队构形一般设计方法设计效果的基础上，提出一种等交点周期法，对一般方法进行了改进。该法编队中卫星以一个相等的角速率运行在轨道上，能实现长期的编队飞行，并给出了编队设计算例及J2摄动下的队形演变，仿真表明，用等交点周期法设计的构形，能部分地消除J2摄动的影响。     

基于Unscented滤波的伴飞卫星自主相对导航滤波器

为提高导航滤波器的稳定性和计算精度,根据卫星自主导航原理,构造了基于Unscented Kalman滤波（UKF）的伴飞卫星自主相对导航滤波器,建立了算法模型。仿真结果表明：UKF的滤波精度优于扩展Kalman滤波（EKF）,且无需计算量测方程的Jacobi矩阵,计算量小、易于实现。     

编队飞行卫星群的轨道动力学特性与构形设计

编队飞行卫星群由一些相对距离近的小卫星组成,在严格的条件下,若干颗伴随卫星环绕一颗中心卫星作相对运动,相对轨道为特别性质的椭圆,本文研究了编队飞行卫星群的轨道动力学特性,提出了编队飞行的轨道构形设计的原则和方法。     

InSAR卫星编队构型的e/i矢量设计方法

根据编队合成孔径雷达干涉（InSAR）卫星的轨道特点和星间紧密编队的特性,引入e/i矢量概念,推导了用e/i矢量表示的编队卫星相对运动学方程,分析了在满足测量基线条件和星间距离条件下编队构型设计约束,并给出了能实现全球测量的编队构型设计结果。对获得的编队飞行轨道参数的数学仿真结果表明：设计的编队构型正确。     

编队飞行干涉SAR卫星系统任务分析与设计

介绍了编队飞行卫星干涉合成孔径雷达（InSAR）测高的基本原理,在此基础上提出了编队飞行InSAR卫星系统顶层任务分析的基本要素和流程,分解出了测高误差分配、基线设计与测量、轨道构型设计、星间同步等关键技术,对各关键技术的相互关系及其基本解决途径进行了研究,并分析比较了不同InSAR载荷工作模式的性能及其与卫星系统的相互约束关系,可以为型号系统设计提供参考。     

基于伴飞模式的补给星轨道设计与优化

针对采用伴飞模式的星座燃料补给问题,本文对其补给星的轨道进行了设计与优化。在给出补给星的轨道设计之后,利用遗传算法对补给星轨道机动所消耗的燃料质量以及每次转移给工作星的燃料质量进行了优化求解,使得补给星燃料利用率达到最高。仿真结果同时给出了燃料利用率与工作星轨道高度以及星座中卫星数目之间的关系,该结论对采用伴飞模式的星座燃料补给研究提供了较好的理论参考。