第三体引力摄动的近地轨道卫星相对运动方程

针对受第三体引力摄动的近地轨道卫星,推导了基于参考卫星轨道要素RSV的卫星运动方程、以及卫星的相对运动方程。两组方程均以显式给出,形式简洁且较为精确。基于这两组方程,本文还定性地分析了第三体摄动对卫星（相对）运动的影响。     

高阶带谐摄动下卫星相对运动精确动力学模型

在考虑J 2 项摄动的卫星相对运动精确动力学模型基础上,推导了可以精确到任意阶带谐非球形引力摄动的卫星相对运动精确动力学模型,还给出了一组简洁的基于参考卫星轨道要素（Reference Satellite Variables）的微分方程,能够描述精确到任意阶带谐非球形引力的卫星地球轨道运动。由于在模型推导过程中没有引入任何简化,新推导的结果适用于任意偏心率的地球轨道。     

编队卫星相对运动描述方法综述

对于近地轨道卫星编队飞行的相对运动理论研究,可以采用的方法包括直角坐标法和 轨道要素法。利用直角坐标法得到的相对运动动力学方程可以用于编队队形控制研究,轨道 要素法能够给出相对运动的运动学描述,便于定量研究摄动影响和进行编队队形设计。分析 了直角坐标法在描述卫星长期编队飞行方面的局限性,综述了利用轨道要素描述编队卫星相 对运动的各种研究方法,包括轨道要素差法、相对轨道要素法和参照轨道要素法等。     

考虑J2项摄动的星座相对运动控制

利用轨道某些要素(偏心率，升交点赤经和倾角)的差别可以构成由一颗中心星和几个环绕星组成的近距离星座。在理想中心引力场下，环绕星运行轨迹在水平面投影可以呈现封闭圆形。在地球引力摄动时，这种空间形状将逐渐发散。为此，本文考虑J2项摄动的影响，设计了对其具有鲁棒性的环绕星相对轨道；进而导出了带有J2项摄动的环绕星相对运动方程，并给出了基于惯性笛卡尔坐标系运动学变量的相对轨道控制方法。分析和仿真结果表明，这种控制方法能够实现星座相对运动的高精度控制。     

基于受摄轨道模型的小卫星轨道摄动分析研究

小卫星在实际运行中受到多种摄动力的作用,这会对其轨道造成不同程度的影响,因此在小卫星的轨道设计与控制中,摄动是必须考虑的重要因素。本文以500km高的小卫星太阳同步轨道为研究对象,运用轨道摄动的基本理论,估计了地球非球形引力、大气阻力、太阳光压及第三体引力的量级并进行比较;建立小卫星轨道摄动分析模型,并在此模型的基础上,利用计算机仿真技术,对小卫星轨道摄动问题展开仿真研究,验证了几种主要摄动力的量级估计的结果,分析比较了几种主要摄动力对小卫星运行轨道的影响程度及规律,本文结果对小卫星轨道设计与控制具有很好的参考价值。     

摄动椭圆参考轨道的相对运动状态转移方程

当面质比不同的主从卫星在近地轨道上作编队飞行时,大气阻力摄动和J2项摄动就成为影响编队队形的两个最主要的因素,这样描述相对运动的状态转移方程必须考虑这两项摄动。该文利用相对轨道要素法推导了包含J2项摄动和大气阻力摄动参考轨道为椭圆的卫星编队相对运动较精确的状态转移方程。当主从卫星的面质比相等时大气阻力摄动对卫星编队队形的影响很小而可以忽略,这样上面的状态转移方程可以化为更简单的形式。仿真结果表明该状态转移方程能较精确的预测编队飞行的相对运动。     

考虑地球扁率的大椭圆轨道编队飞行优化设计

大椭圆轨道上卫星编队的相对运动特性及其所受摄动力的影响给编队轨道设计者提出了新的挑战.本文总结了大椭圆轨道卫星编队的五种基本形式,利用数值积分法计算了主星轨道倾角、近地点角和平近点角初值对地球扁率作用下基本编队形式相对位置极值点漂移量的影响规律.结合零J2项摄动条件,提出基于主星平近点角初值的J2项编队相对轨道优化设计方法,进而获得瞬时根数描述的编队初始条件.仿真算例表明：优化设计结果可以明显降低大椭圆轨道编队卫星的相对漂移量,与平根数描述的编队初始条件的设计结果相比,相对距离极大值点的漂移量降低约81.8681%,验证了基于主星平近点角初值的大椭圆轨道编队优化设计方法的可行性.     

受摄椭圆轨道线性相对动力学方程及其运动有界性条件

由于卫星在轨运行要受到各种摄动(特别是J2项摄动)的影响,经典的TH方程并不适合描述椭圆轨道卫星编队的长期运行。基于轨道平根数,推导了考虑J2项一阶摄动的相对轨道动力学方程,给出其近似解,研究了相对运动的有界性条件,最后通过仿真试验验证了该方程。     

航天器相对运动建模及周期性相对运动求解

面向航天器编队飞行的需求,对椭圆参考轨道航天器非线性周期相对运动条件进行研究,提出了确定椭圆参考轨道编队航天器非线性周期性相对运动条件的新方法。首先,考虑非线性、椭圆轨道等因素,通过哈密尔顿-雅可比(HJ)方程和正则摄动理论,推导了在任意非线性摄动下相对运动的模型和获得不需消耗任何燃料的周期性相对运动轨道的条件;然后,采用时域配点法,结合改进的列文伯格-马夸尔特(LM)法对周期性相对运动的初值进行求解;最后,设计数值仿真算例,利用上述条件,得到不消耗任何燃料的周期性绕飞轨道,由此验证了本文所提模型和方法的正确性。     

高阶次月球重力场模型截断下的低轨环月卫星轨道受摄分析

研究低轨月球卫星在月球非球形摄动和地球第三体引力摄动作用下轨道高度变化问题.首先依据Kaula准则比较分析目前国际上公认的最精确的两个重力场模型GLGM-2和LP165P,提出了在一定阶次截断重力场模型的问题,然后通过仿真不同阶次重力场模型作用下轨道高度为50km的圆形极轨道环月卫星轨道特征的变化,验证了 50km以上高度卫星非球形摄动分析时可以将重力场模型截断至一定阶次的结论,并利用截断至70阶次的重力场模型仿真得到了50km和200km圆轨道卫星无控条件下正常运行的时间.最后在仿真地球引力对200km圆轨道卫星高度影响的基础E仿真其在月球非球形和地球引力摄动作用下轨道要素变化,对低轨环月卫星轨道保持控制提供依据.     

近圆轨道航天器伴随飞行控制方法研究

对近圆轨道上航天器在轨长期伴随飞行的轨道控制方法进行了研究。比较了采用C\|W方 程（Clohess\|Wiltsire）解析解和轨道根数两种方法描述相对运动的相同点和差异。分析 影响航天器长期伴随飞行的各种因素。在总结相对运动规律的情况下设计轨道修正条件,提 出两种伴随飞行的轨道控制方法,并分别对两种方法的控制效果进行理论分析。数学仿真结 果表明两种控制方法都能实现航天器长期伴随飞行,且第二种方法能够较大程度上节省燃料 消耗。     

Formation design in elliptical orbit using relative orbit elements

A new set of relative orbit elements is strictly defined through spherical geometry. The exact transformation equations between the new relative orbit elements and classical-orbital elements are derived. A new relative motion model with no singularity problem is derived based on the relative orbit elements, which are suitable for both elliptical and circular reference orbits. The in-plane and out-of-plane relative motion can be completely decoupled based on the new model. The inverse transformation of state transfer matrix is obtained to analyze perturbation effects and control strategy. The geometric characteristics of relative motion can be easily described using the relative eccentricity/inclination vector method. The proposed method and conclusions are validated by simulation through some typical examples. This paper improves the basic theory of relative orbit elements and unifies the expressions of the elliptical and near-circular close relative motion.     

基于无奇点根数的空间相对导航插值滤波算法

为了提高椭圆轨道航天器的相对导航精度,将基于Stirling公式的多项式插值滤波方法（DDF2）引入导航算法,降低了传统的卡尔曼滤波方法中泰勒级数展开线性化     

访问多个特定相对位置的航天器轨道设计

在航天器轨道设计问题中,将惯性空间中经典的吉布斯三矢量定轨方法拓展到相对运动空间中,给出了一种相对运动条件下的三矢量定轨方法。针对已知轨道的目标航天器,以及二个或三个给定的空间相对位置,基于相对运动方程,提出了设计跟随航天器飞行轨道的数值方法。以轨道面共面或异面,以及目标航天器轨道形状为椭圆或圆,将问题分为四种情况进行约束条件和自由变量个数的分析讨论。对于自由变量个数多于约束方程的情况,额外给定周期重访约束,将各种情况下的特定相对位置访问问题转化为一至二维的非线性方程(组)求解问题。对一维方程求解采用分段黄金分割+割线法进行快速求解;对二维方程组通过网格法搜索迭代初值并通过牛顿迭代快速求解。进一步基于线性模型的解,采用微分修正方法求解了各情况下J2摄动模型下的结果。数值算例验证了提出方法的正确性及有效性。     

解析求解非线性相对运动的最优重构问题

椭圆轨道相对运动模型的线性化导致其在大尺度相对运动应用中精度不能满足需求。针对任意椭圆轨道上的大尺度航天器编队最优重构问题,提出一种基于椭圆轨道非线性相对运动模型的近似解析求解方法。首先通过变分法建立了非线性最优重构问题的数学模型;然后采用摄动法,以偏近点角为积分变量求得了不含特殊积分的解析开环最优控制,有效地避免了真近点角域下最优控制解所含有的特殊积分。仿真验证了所求最优控制的有效性和优越性,结果表明在相对运动尺度较大时,相比基于椭圆轨道线性化模型的最优控制,在燃耗保持相近的情况下,所求非线性控制有效地降低了重构误差。     

基于轨道摄动解的卫星编队飞行

用完全不同的方法推导出一种两颗卫星相对运动的表达式.首先,它描述的是一颗真实的卫星相对一颗在理想轨道上运动的虚拟卫星的运动,而这正是研究编队飞行所必须的;其次,这个表达式将真实卫星相对虚拟卫星的三维位置表示成虚拟卫星的Brouwer平根数及两卫星轨道根数之差的函数.据此便可以充分应用已有的关于轨道摄动的研究成果.作为一个基本模型,首先讨论了一颗真实卫星相对虚拟卫星形成椭圆型地面轨迹的飞行方式.基于轨道长期摄动的已有结果可以很容易地揭示这种飞行方式的长期变化,从而可以毫无困难地制定出轨道调整的策略.最后还研究了三颗卫星以同一条椭圆轨迹飞行的轨道设计和控制问题,该椭圆以虚拟卫星为中心.     

基于零J_2摄动条件的近圆轨道编队保持双脉冲最优控制方法研究

重点研究了考虑J2摄动作用的近圆轨道编队构形保持双脉冲最优控制策略.利用轨道要素法建立了考虑J2摄动作用影响的相对运动方程,推导了消除相对摄动影响长期项的零J2摄动条件,并利用该条件对C-W方程得到的编队初始条件进行了修正,得到了对J2摄动不太敏感的相对轨道.然后,基于C-W方程建立了编队保持双冲量最优控制模型,并利用非线性规划方法得到了编队保持所需的最优控制脉冲.仿真结果表明,J2项摄动对相对运动的破坏作用明显减小,提出的双脉冲最优控制方法能够有效实现编队保持的高精度控制.     

有限推力作用下相对运动的轨道控制方法研究

研究卫星在有限推力作用下的相对运动轨道控制问题。给出在地心惯性系描述的卫星相对轨道运动方程,根据最优控制理论提出一种有限推力作用下近似最优的轨道控制方法,该方法能适用于空间三维的轨道机动控制问题,最后通过数学仿真进行了验证。     

近地轨道航天器编队仅测距相对导航方法

针对地球中高轨道卫星导航信号不可用或不可信赖情况下的航天器编队自主相对导航问题,提出一种基于星载数据链仅测距的航天器相对导航新方法。首先,在地球非球形J2引力摄动条件下建立适用于椭圆轨道的线性化相对运动动力学模型,并建立基于星载数据链的飞行时间测距模型。然后,通过理论推导与数值仿真结合的方式对建立的仅测距相对导航系统进行可观测性分析,得出至少存在三种镜像模糊轨道的结论。接着,建立可用于提升系统可观测性的几何拓扑一致性约束模型,设计基于一致性无味卡尔曼滤波的分布式估计策略,并研究对应的相对导航误差传播规律。最后,通过标准蒙特卡洛打靶对所提算法进行仿真校验。仿真结果表明,相比于Tschauner Hempel(TH)动力学模型,利用建立的J2摄动相对运动动力学模型设计的仅测距相对导航系统能达到更高的相对导航精度,一致性无味卡尔曼滤波算法也能够有效提高编队导航的可观测性。