基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算无控航天器轨道衰降研究

针对低地球轨道航天器服役期满离轨陨落、特别是功能失效处于无控飞行的航天器轨道衰降难以模拟的问题,在航天器轨道动力学方程直接积分计算框架中,把稀薄气体动力学与轨道动力学结合起来,发展了基于跨流域空气动力精细数值模拟驱动的低轨航天器气动特性一体化快速算法,提出了无控航天器轨道衰降失稳自旋飞行姿态等效迎角模拟法,初步建立了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分高精度计算模型。对大型航天器A受控陨落开展计算分析,验证了本文发展提出的轨道计算、气动力一体化计算方法正确性与高精度。在大型航天器B无控失稳自旋飞行轨道衰降计算分析中,得到了与外测轨道星历数据吻合一致的长弧段和短弧段预报结果,在停止外测轨道数据供给5 h内,地心惯性系位置预报偏差低于1.5 km,验证了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算模型对无控航天器轨道衰降预报的合理性。     

奔月转移轨道的快速设计方法研究

 结合重叠圆锥曲线方法,针对着陆型和月球卫星型两种类型奔月转移轨道,给出了一种奔月转移轨道的快速设计方法。该方法是一种无需轨道数值积分的纯代数计算方法,直接从目标轨道参数出发,具有计算速度快、精度高的特点,避免了圆锥曲线拼接法精度差的缺点,可用于这两类奔月转移轨道的初始设计。该方法可为精确轨道计算提供较好的初值,大大缩短了轨道精确计算所需的时间。同时还针对地球扁率( J2 ) 的影响,给出了一种修正方法,提高了本方法的计算精度。     

简单二体引力模型用于空间目标轨道面交线确定的效果分析

在空间目标碰撞预警分析中，准确地计算出空间目标的轨道面交线是进行地心距筛选、时间差筛选的前提，目前较多使用的快速确定轨道面交线的方法为简单二体引力模型。深入分析该模型，比较了其计算的空间目标轨道面交线与STK计算结果的差异，指出了简单二体引力模型在计算空间目标轨道面交线时的局限性，认为轨道摄动是影响轨道面交线计算准确性的主要原因，应该采用更能反映空间目标实际运动规律的改进的二体引力模型的方法。     

基于测量数据误差特性求解轨道参数的方法

针对样条方法在计算级间分离、关机点、头体分离点附近的轨道参数时,由于样条节点不准确使轨道表示误差大的问题,提出了一种基于测量数据误差特性求解轨道参数的方法,可以成量级地降低测量数据在关键点上的表示误差,同时提高轨道参数精度,缩短数据计算迭代时间,这对于快速提供高精度的轨道参数更具有现实意义。     

天体轨道测定的一种非线性方法

本文提出了天体轨道测定的一种非线性方法——单位矢量法。其主要特点是: (1)既适用于初轨计算,也适用于轨道改进; (2)既适用于任意偏心率轨道的天体,也适用于任意类型的观测数据; (3)在轨道改进中,对六个轨道根数的测定,利用非线性处理代替常规的线性处理,避免了有时必须寻求的复杂的有摄偏微商的计算,既有利于改善迭代收敛过程,还可提高轨道精密测定的计算速度。 初步实践和理论分析表明,该方法是可靠的,具有推广应用价值和发展潜力。     

地火转移轨道误差分析与第1次中途修正计算

针对地火转移过程中出现的各种误差,基于地火转移轨道的误差传递矩阵分析误差发散的性质,在此基础上讨论如何选取轨道中途修正的时机,并基于该矩阵对地火转移轨道第一次中途轨道修正的速度增量进行估算。与微分修正方法的严格计算结果的比较表明,基于该方法定性研究地火转移轨道第1次中途修正速度增量变化和选取合适的轨道机动时机是可行的。使用蒙特卡洛数值模拟对上述方法和微分修正方法进行计算和比较,结果表明,第1次中途修正速度增量大小差异不超过1.2m/s,相对误差不超过6%。在轨道控制精度大约为1m/s的情况下使用该方法代替微分修正方法进行计算,可以节省大量的计算时间。     

基于多子人口群协作进化的拦截轨道优化

针对基本遗传算法对航天器拦截轨道数值优化计算效率较低的问题,提出了一种新的基于多子人口群协作进化的算法。使用子人口划分技术提高了人口多样性防止早熟,用免疫算子减小搜索空间,两者都加速了进化计算过程。应用此算法求解了具有推力约束和拦截时间约束使燃料消耗量最小的航天器拦截轨道,并分析了其与基本遗传算法的不同。通过航天器拦截轨道仿真表明,该算法优于基本遗传算法,可用较少的计算时间得到全局最佳解,提高了航天器拦截轨道优化的计算效率。     

一种低轨卫星轨道预报算法

在基于EMBET（Error Model Best Estimation of Trajectory，误差模型最佳弹道估计）的雷达自校准处理过程中，需要基于给定的低轨卫星初始状态完成轨道预报，得到与雷达测量序列对应的卫星位置序列，进而通过迭代收敛过程得到误差模型参数估计。针对低轨卫星轨道迭代预报的需要，提出了一种边积分边插值的轨道预报方法。即将低轨卫星轨道积分计算过程的加速度计算结果直接应用到三弯矩插值，省略了三弯矩插值中节点矩的计算过程，同时将积分步长以及插值区间步长设置为1 s，减少了积分及插值中乘法和除法的计算次数，进一步提高了计算效率。经仿真计算表明，该方法在保证轨道预报精度的情况下，计算效率比传统低轨卫星轨道预报方法提高了约20倍，有效提高了雷达自校准处理的时效性。     

最优两脉冲行星际轨道转移优化算法

 研究了最优两脉冲轨道转移问题。以行星际飞行为背景，结合状态转移矩阵和古典变分理论，推导了两脉冲行星际轨道转移的性能指标对可调参数的解析偏导数,并利用这些解析偏导数提出了一种快速的两脉冲轨道转移优化算法。解决了传统两脉冲行星际转移轨道优化算法中存在的计算速度慢,无法控制计算精度的问题。最后，以地球-火星轨道转移为例，将提出的优化算法计算的结果与传统的“能量等高线法”的计算结果进行对比，验证了此算法的正确性和快速性。     

空间目标光电跟踪的调度策略

针对空间目标光电跟踪调度问题,根据不同轨道空间目标的运动特征,着重考虑对编目定轨影响最大的轨道弧长,基于线性规划模型,分别提出了适合低轨道和中高轨道空间目标跟踪调度优化数学模型。仿真计算表明,模型在消除弧段冲突、充分利用观测时间的基础上实现了最优轨道弧长的观测策略,计算量适当,能够满足实践应用的需求。实测试验表明调度策略有效可行,能够提高50%的有效观测时间。     

低轨卫星多普勒频移特性的快速计算

地面站利用低轨卫星进行通信时,地面接收站接收信号存在明显的多普勒频移现象。为描述多普勒频移特性,首先分析卫星轨道偏心率对多普勒特性曲线的影响,分析表明：轨道偏心率越大,地面站接收信号多普勒变化率越大。其次,推导了卫星多普勒频移的计算表达式,并讨论了低轨卫星多普勒频移特性曲线的快速计算。仿真计算结果表明,该算法可以很好地描述任意低轨道卫星多普勒频移特性,并明显缩短了精确算法的计算时间,对于10 000km轨道高度卫星,算法置信度可达99%以上。     

24小时地球同步卫星过渡段的轨道变化

发射24小时地球同步卫星,一般需经两个阶段,首先将卫星送入过渡段轨道(亦称转移轨道),其近地距离较近,而远地距离与同步轨道一致。在过渡段轨道上飞行若干圈之后,于远地点再一次点火变轨,从而进入同步轨道。关于同步轨道的特征、摄动变化及其位置计算,已在文中详细阐明,本文将讨论过渡段的轨道变化。这一飞行段的定轨问题也是重要的,为了给出必要的信息,以便最后将卫星准确地送入同步轨道,必须使定轨达到一定的精度。过渡段轨道变化的特征这一飞行段的轨道的主要特征是偏心率大。如果用数值方法直接计算卫星的位置,就涉及到变步长问题;而用分析方法研究其轨道变化,将遇到一定的困难(当积分轨道变化方程     

直接再入大气的月地返回窗口搜索策略

结合从月球停泊轨道直接返回地球的月地转移轨道设计,提出了一种月地返回窗口的搜索策略。首先基于双二体模型,结合月地转移轨道快速设计进行当天最小再入角的计算,根据当天最小再入角的计算结果初步判断返回窗口,然后指定再入角约束,在初步返回窗口内搜索满足两端约束条件的双二体月地转移轨道。然后将该轨道作为初值,基于受摄双二体模型,采用数值积分和微分改正法进一步求解精确的月地转移轨道。最后根据精确轨道计算结果,特别是速度增量,进一步确定返回窗口。这种策略大大加快了计算返回窗口的效率,可以在大范围内快速搜索返回窗口。通过对2017年1月和2月返回窗口的搜索及对结果的分析,最终给出了满足最省燃料和3天连续返回的窗口建议。     

一种有效提高超大偏心率轨道初轨确定精度的新方法

针对某型号航天器的运行轨道偏心率大、轨控结束后可用于初轨确定的测轨数据少的特点,提出了一种能有效提高超大偏心率短弧段初轨确定精度的新方法。该新方法将轨道改进的思想融入初轨计算方法中,使之既适用于各种偏心率轨道的初轨计算,也适用于各种偏心率轨道的长弧段、多圈、多站数据的轨道改进;解决了传统初轨确定方法超大偏心率轨道短弧段初轨确定误差偏大的问题。通过任务实测数据的检验,新方法适用于各种偏心率轨道,并且超大偏心率轨道的初轨确定精度明显优于传统方法。     

逆轨道拦截卫星轨道设计与优化

研究了一种逆轨道卫星拦截的方法。根据对逆轨道拦截卫星的要求,建立了停泊轨道的数学模型,并以轨道转移能量和快速拦截为优化目标,运用遗传算法对逆轨道拦截卫星的停泊轨道参数进行了优化设计。计算结果表明了遗传算法解决这一多约束多目标优化问题的有效性。     

基于大幅值Lyapunov轨道的地月转移轨道设计研究

基于平面圆形限制性三体问题模型,利用与绕月轨道相切的大幅值Lyapunov周期轨道,提出了一种新的地月转移轨道设计方法。根据Poincaré截面与限制性三体问题动力学系统对称性计算得到的大幅值Lyapunov轨道,通过与绕月轨道拼接,将地月转移问题转化为地球到大幅值Lyapunov轨道的转移问题。为保证探测器能够从近地轨道（LEO）切向逃逸到达大幅值Lyapunov轨道,通过计算其稳定流形,采用最近点作为Poincaré截面的终止条件求解探测器的初始状态,并根据初始状态完成地月轨道的设计。仿真结果表明,该地月转移策略相比于Hohmann转移,在同样只需要两次速度增量的前提下,约节约100 m/s的速度增量,该研究为地月转移轨道的设计提供了一种新思路。     

空间站伴随卫星的最优轨道机动

介绍了空间站伴随卫星的概念和轨道机动过程，给出了伴随卫星的轨道构型；建立了伴随轨道的最优机动模型，并对脉冲轨道机动进行了仿真计算，得出了伴随轨道最优机动轨迹、方位角和释放时间等的变化规律,研究结果对伴随卫星控制具有一定的参考价值。     

同步卫星过渡段轨道阻力效应的量级估计

本文针对24小时地球同步卫星过渡段轨道,给出了阻力效应的量级估计公式和具体数据,可供轨道设计和计算参考。     

大型航天器无控飞行再入时间短期预报的轨道摄动方法研究

针对寿命末期大型航天器临近再入前轨道衰降受到跨流域多尺度非平衡环境下气动力/力矩影响显著的问题,基于体坐标系下的气动力和力矩分量,建立了航天器轨道-姿态动力学摄动模型;结合航天器再入跨流域空气动力学统一计算理论与数值模拟手段,提出了大型航天器无控飞行轨道衰降过程气动特性一体化快速算法。基于地心惯性坐标系气动融合轨道动力学方程数值积分方法对航天器的轨道姿态摄动模型进行了外推计算,结合无迹卡尔曼滤波方法对外测轨道星历观测数据初值误差和模型误差进行了滤波。针对250～120 km高度范围的大型航天器短期轨道衰降变化进行仿真预测,对比了外测轨道星历数据,结果表明:本文提出的经卡尔曼滤波误差分析的轨道摄动模型方法对寿命末期大型航天器短期轨道预报具有较强的模拟能力与有效性,有助于推动近地轨道空间目标气动融合轨道数值预报领域发展。     

三点光测确定人卫轨道

本文提出了一种利用三点光学测量数据确定人卫轨道的计算方案。首先使用三点测量数据计算两个三角形面积比值系数C_1和C_3,然后通过求解一个含有C_1和C_3的方程组得出对应三个观测时刻的卫星斜距与地心向径,即可算出卫星轨道根数;再用所得轨道对糸数C_1和C_3进行牛顿一拉夫森迭代修正,从而给出较为精确的轨道根数。