基于电推力器进行南北位置保持的一种地球同步轨道注入参数方法

摘要： 电推力器在静止轨道卫星上应用越来越广泛,特别是基于电推力器进行南北位置保持,可以有效节省推进剂.提出改进的GPS星历参数解析算法,在此基础上考虑包含电推力模型在内多摄动项模型进行地面精密轨道计算,采用微分修正法,提出一种地球同步轨道注入参数方法,该方法可应用于星上自主完成基于电推力器的南北位置保持.仿真算例表明使用该方法得到的轨道注入参数,卫星能够在保证姿态确定精度的同时,完成南北位置保持任务.     

地球静止卫星电推进轨道保持策略优化

针对电推力器控制弧段长、传统轨道保持计算常用的脉冲假设不能适用的问题,提出了静止卫星轨道保持的平运动动力学模型和长期控制策略优化方法。由于轨道保持控制的是平均轨道要素,文章提出了一种基于春分点轨道要素的高精度平根外推动力学模型,与STK-HPOP模型比对高度吻合;提出了综合考虑轨道东西和南北控制的耦合控制优化模型,设计了基于序列二次规划的优化求解方法。仿真算例中研究了二推力器配置的静止卫星4周轨道保持问题,仿真结果表明,该方法可以优化长期轨道保持控制策略。     

电推进卫星角动量卸载研究

电推进卫星需要在进行位置保持的同时通过将推力器的指向略微偏离质心来产生控制力矩,完成角动量卸载。针对该问题,文章在给定推力器开机位置、时长和动量轮目标卸载量的情况下,提出了正常模式和故障模式下的角动量卸载算法。通过对推力模型的简化,得出了推力器最优偏转方向的解析解,并对考虑推力器弧段损失和不考虑弧段损失的角动量卸载算法进行了比较。仿真结果表明,所提出的卸载算法能够在进行位置保持的同时完成角动量卸载,为电推进卫星的在轨控制策略提供了有效解决方案。     

静止轨道卫星东西位置保持控制参数的优化方法

为提高静止轨道卫星东西位置保持的轨道控制精度,提出一种优化轨道控制参数和推进剂消耗量估算的方法.这种方法考虑卫星轨道机动期间其姿态控制喷气对卫星轨道的摄动力,据此对位置保持参数中的轨控推力器点火时间进行补偿,并根据所有推力器的喷气时间估算推进剂消耗量,以修正轨控策略,实现更加精准的轨道控制效果.以在轨运行的静止轨道卫星的多次向西位置保持的变轨参数优化过程为实例,验证本方法的有效性和正确性,可应用于后续静止轨道卫星东西位置的实际操作中.     

地球静止轨道卫星电推进位保策略研究

研究了利用电推进系统进行GEO卫星轨道保持问题,给出了一种基于日预报的位置保持策略。首先,根据GEO卫星轨道漂移规律,分析了小推力推进系统每日进行位保的可行性;然后,针对四电推力器配置构型,给出了每日轨道误差、各推力器工作时间与区间的预测方法;进一步,针对给定的定点位置,根据位保效果对电推进安装角进行了优化选择,并研究了推力变化对位保效果和燃料消耗的影响。以东经100°定点为例对所给方法进行了仿真验证,数值结果表明:所给策略可有效用于GEO卫星位置保持。     

基于拉盖尔函数的卫星姿态预测控制方法

针对卫星在空间站中进行绕飞检测时的姿态控制问题，考虑卫星的姿态轴需要躲避禁飞区域并指向期望位置，提出了一种基于拉盖尔函数的模型预测控制方法，实现了对卫星姿态轴的控制。在模型预测控制方法的基础上，通过拉盖尔函数，将优化多个控制输入转换为优化少数的拉盖尔系数，建立了拉盖尔模型预测的控制策略，改善了传统的模型预测控制方法计算效率差的问题，减少了优化时间。采用卫星在空间站中绕飞的模型进行数值仿真验证，结果表明该方法能够使卫星的姿态轴躲避禁飞区并到达指定位置。与传统方法相比，这种基于拉盖尔函数的模型预测控制策略能够提高优化效率，减少计算时间。     

微小卫星轨道保持的混合切换控制方法

固体微推力器阵列作为一种新型推力装置用于微小卫星轨道保持具有精度高、无燃料泄漏、冲量可调等优点,但是微推力器推力不连续的特点,使得控制系统设计时与以往的连续系统有所不同。为了充分发挥微推力器高精度的特性,采用基于混合系统的切换控制思想,建立了微推力器混合切换系统控制模型。首先,根据固体微推力器的推力特点推导了卫星离散动力学模型;其次,以李雅普诺夫稳定性定律为基础,设计了混合系统脉冲切换控制律;最后,针对小卫星轨道控制进行了仿真验证。结果表明,基于混合系统建立的控制模型能准确反映微推力器的特点,轨道保持精度能达到0.2m,而且推力器消耗量满足卫星长时间在轨运行要求。     

基于区域平均燃料消耗的推力器配置问题

摘要： 为实现精准的交会对接需要同时进行相对位置与相对姿态的六自由度控制.在控制指令一定的情况下,不同的推力器配置以及不同的控制分配算法会带来不同的推进剂消耗.实际任务中,可以从时间和空间上对控制指令进行划分,即控制指令在一段时间内集中在一定的空间区域内.本文提出发动机配置区域平均燃料消耗的度量指标,针对三维和六维控制任务给出区域平均燃料消耗的计算方法,进而提出对推力器配置阵的优化思路,对于完善控制指令分配和推力器配置设计与优化有重要的意义.     

基于CFD的10 cm氙离子推力器阳极推进剂供给方式优化

离子推力器阳极推进剂在放电室内的浓度分布及其变化梯度的设计是放电室放电模式可靠性设计的关键技术之一，直接影响到放电室内推进剂的电离效率及放电稳定性。针对航天器在轨多目标飞行任务对10 cm氙离子推力器的应用需求，为提高10 cm氙离子推力器放电室空腔内阳极推进剂供给的均匀性，实现推进剂利用率的有效提升，运用计算流体动力学（CFD）理论，建立了包括阳极推进剂、进气管和分配环在内的CFD阳极环模型，研究了未发生气体放电情况下，不同供给方式时阳极环内阳极推进剂的压强与流速变化情况。在此基础上，分析了阳极推进剂供给方式对10 cm氙离子推力器放电室空腔内阳极推进剂分布特性的影响作用关系。将优化前后的阳极环在10 cm氙离子推力器中进行了性能对比，结果表明:优化后阳极推进剂电离损耗由277.9 W/A降至241.2 W/A，放电室阳极推进剂利用率由91.7%提升至98.4%，验证了CFD计算结果的正确性与方法的可行性。研究结果为离子推力器放电室拓扑结构设计与优化提供了方法。      

大功率轨道转移航天器全电推进系统研究

采用基于电推进的空间运输系统(转移级)完成使命,相对于采用化学推进可节省大量的推进剂,能够显著降低航天器的发射重量或者把更多的有效载荷送达探测目标地。调研了国外大功率电推力器的研究情况,针对近地空间的大功率轨道转移航天器任务需求,给出了电推进系统方案设计,并对采用不同性能指标推力器的多种方案进行对比,得到综合最优的方案。最后针对我国电推进技术发展现状,给出了我国大功率电推力器的关键技术和发展建议。     

推力器工作对轨道的影响分析

针对已知推力器在地球静止轨道卫星上的安装信息和已知推力器的工作信息,对推力器作用力进行建模,分析计算推力器在不同工况下工作对卫星轨道的影响;统计在轨卫星推力器工作对轨道的影响效果,并与计算结果分析进行比较,说明在轨道外推模型中加入推力器作用力的修正,可以有效地改善轨道外推的精度。     

连续小推力条件下星座轨道机动方法研究

基于连续小推力条件下星座轨道机动的动力学特性分析，研究了其入轨的布局置入和离轨机动方法。地球轨道上的大型星座数量巨大，传统的轨迹优化方法较难应用。针对多星入轨的星座布局置入任务，求解了分时序抬轨的相位调整问题，并在轨道抬升过程中，利用轨道倾角偏置补偿升交点赤经漂移。针对星座中卫星的离轨任务，设计了半长轴和偏心率的联合调整方法。在保证卫星快速离轨的同时，能够有效减少燃料的消耗。考虑到连续小推力机动的弧段效应，控制策略需要围绕控制效应的曲线积分进行优化。     

圆轨道星座位置保持控制的仿真与研究

星座构形可由卫星相对地球的位置和卫星相对卫星的位置联合描述。由于星座中卫星所受摄动,星座构形会在运行中发生改变,需要加以控制。针对同一圆轨道内的两颗卫星,推导了描述星座位置运动的数学模型,通过仿真验证了模型的精度;进而利用二次型最优控制理论给出了基于相对位置的控制规律,提出了星座相对位置保持、绝对位置可移动的星座控制方法;论证了相对位置保持控制所需燃料要比绝对位置保持控制所需燃料少,仿真结果验证了方法的有效性。     

V型轮控系统卫星东西位置保持策略优化方法研究

以某在轨GEO卫星为研究对象,探讨了适用于V型轮控系统特点的东西位置保持策略．首先分析了V型轮控系统的工作原理,提出了轮控过程中推力器效率的标定方法和喷气卸载对轨道影响的数学模型;然后深入分析了轮控过程中姿态控制对卫星东西位置保持环及偏心率的影响,提出了延长位保周期的控制策略,并在实际任务中获得了较好的效果．     

电推进系统在静止轨道卫星平台上应用的关键技术

在未来静止轨道平台上应用电推进系统是我国航天事业发展的必然趋势。将氙离子电推进系统(XIPS)应用于静止轨道卫星平台,除了要解决电推力器本身的问题之外,还要在系统应用方面做大量工作。以该静止轨道卫星对电推进系统的需求为基础,从三个方面对电推进系统在未来静止轨道平台上应用所涉及到的关键技术进行了分类及梳理:一是电推进系统与电推力器之间的关系,包括电推力器与推进剂贮存和供给子系统、电源子系统、控制子系统联合工作所涉及到的关键技术;二是电推进系统与化学推进系统的协调工作,包括两种推进系统的任务分工及相互影响所涉及到的关键技术;三是电推进系统对整星及大系统的影响,包括电推进系统对电源、热控、羽流污染控制、电磁兼容性(EMC)、遥测遥控、自主管理等所涉及到的关键技术。通过对这三个方面的关键技术进行梳理,明确了电推进系统在整星上应用所需要开展的工作。     

欧空局试验吸气式电推力器

正由欧空局领导的一个团队已制造出一台能从大气层上方吸入稀薄空气分子作推进剂的电推力器,并成功进行了点火试车。用大气分子来替代星上推进剂将会制造出能在极低轨道上长时间工作的新型卫星。这种吸气式电推力器还可用在其它行星大气层的外边缘,比如利用火星上空的二氧化碳。意大利西泰     

基于SiC MEMS阵列的高精度微纳卫星编队保持

随着微纳卫星的发展,对它的控制保持问题亟需解决。传统的推进技术因推力精细度和推力输出相对粗糙,很难满足高精度的要求,为此,提出了用SiC MEMS微推力器阵列来解决微纳卫星的编队保持问题。由于阵列具有与传统发动机不同的特性,一般的控制算法很难用于该控制任务,文章提出了利用瞬时脉冲控制策略来实现编队保持。仿真结果表明,阵列用于微纳卫星近距离编队保持的位置精度可达3mm,具有很高的应用价值。此外,为节省推力器,分析了单推力器装药量与控制器参数对能耗和精度的影响,结果表明当单推力器元冲量范围为8×10~(-6)~20×10~(-6) N·s时可以得到很好的控制效果,既能满足精度,又可以节约使用推力器。     

可变构型的控制力矩陀螺控制方法

针对固定构型的控制力矩陀螺群无法灵活改变其合成角动量包络以适应卫星不同工况的姿态机动需求问题，设计了一种可变构型的控制力矩陀螺群控制方法。建立了可变构型的控制力矩陀螺群的动力学模型；在考虑控制力矩陀螺群框架角速度、高速转子转速以及构型倾角变化速率等多变量下，设计了可变构型的控制力矩陀螺群的操纵律；分析了构型倾角固定和构型倾角可变情形下的控制力矩陀螺群合成角动量包络和奇异状态分布情况。采用可变构型的控制力矩陀螺群进行了卫星多工况姿态敏捷机动控制。数学仿真校验表明，可变构型的控制力矩陀螺控制方法能够实现金字塔构型下不同数目的控制力矩陀螺故障时的卫星三轴敏捷机动控制。     

场发射电推力器的参数选择与调控方法

场发射电推力器具有几种不同的发射模式，分别产生荷质比不同的带电液滴或带电离子，使得不同模式下推力性能差别显著。针对不同的空间应用，需要设计不同种类的场发射电推力器，使其达到相应的推力参数。为此对场发射电推力器的发射过程展开分析，确定了推力参数的调控方法。首先对场发射电推力器的基本工作原理进行了阐述，并对不同发射模式的基础物理机制进行了分析。在此基础上通过理论计算得出采用不同推进剂可达到不同发射模式这一结论，并最终得出推力器性能参数的调控方法，论证了推力性能受到推进剂种类和发射模式的影响，在离子发射模式下处于高比冲、低推力工况，而液滴发射模式下处于低比冲、高推力工况。此外推力参数还受到供给流量、外加电压等多种因素的影响。在得到推力器参数的调控方法后，设计了一种主动供给型离子液体电推力器，以离子液体EMI BF4作为推进剂，进行了相应的试验研究。通过改变外加电压，实现了对推力器推力性能的调控，证实了此调控方法的可行性。推力器达到的推力范围为1.6~10μN，比冲范围为154~978s。