J2摄动下脉冲推力星下点轨迹调整解析算法

针对快速响应对地成像任务,在轨卫星可通过轨道机动实现星下点轨迹调整。研究了J2摄动下小椭圆轨道的脉冲推力星下点轨迹调整的解析算法。首先给出脉冲推力下小椭圆轨道参数变化模型和滑行段星下点轨迹运动模型;然后通过分析得到影响星下点轨迹的四个轨道要素,进一步推导了平近点角增量近似公式,并得到它与速度增量的线性关系表达式;最后推导了J2摄动下星下点轨迹调整需要的脉冲的三种解析方法。仿真结果表明,三种解析算法运算速度快,地面位置误差小于7km。     

基于改进粒子群算法的混合卫星星座优化设计

对用低轨子星座和椭圆轨道子星座组成的混合卫星星座实现不均匀覆盖进行了研究。给出了低圆轨道和椭圆轨道的设计方法和计算模型。基于对传统粒子群算法的改进,提出了一种自适应变异与非线性单纯形法综合的高效粒子群优化算法对星座进行优化设计,并给出了设计的某混合卫星星座的整体构型。分析结果表明:该法明显优于遗传算法和传统粒子群算法。     

基于多项式插值的自由漂浮空间机器人轨迹规划粒子群优化算法

针对自由漂浮空间机器人轨迹规划问题,提出一种基于多项式插值与粒子群优化算法相结合的非完整运动规划方法。首先,通过对系统非完整约束条件进行分析,给出了以机械臂关节角耗散能为目标函数的轨迹最优控制算法;并采用高阶多项式插值方法逼近机械臂关节角轨迹,将插值多项式的系数作为优化参数,结合粒子群优化算法对关节角轨迹进行优化求解。最后,对本文提出的轨迹规划算法进行数值仿真。仿真结果表明关节角轨迹平滑连续,保证了关节角速度及关节角加速度在初始和终止状态均为零,从而验证了所提方法的有效性和可行性。     

机动卫星星座对多区域目标成像任务规划

针对太阳同步圆轨道卫星星座对地观测任务,研究了在卫星机动情况下对多区域目标的成像任务规划算法。首先提出了单颗卫星对单个点目标的观测方法,解析分析了点目标可见性,并给出了卫星变轨策略;进而通过把区域目标划分为多个条带,将问题转化为卫星对点目标观测问题,结合单星单目标观测方法分析区域目标各条带的可见性;最后建立优化问题模型,给出条带观测策略,并利用遗传算法优化星座对多区域目标的观测总面积。仿真结果表明该算法准确性高,能够有效提高星座的观测能力和观测总面积。     

基于应急任务的快速进入近地轨道设计及应用

分析了快速进入近地轨道特点及其星下点轨迹特性,并通过星下点轨迹特性反算快速进入近地轨道根参数。提出了J2摄动影响下快速进入近地轨道回归轨道设计方法。STK仿真验证了该设计方法的正确性。     

一种新的升力式再入投送系统轨道部署方法

针对天基再入投送系统与传统星座轨道部署问题的不同,建立了用于轨道部署覆盖性能仿真的星下点轨迹、覆盖条带计算模型和覆盖判别条件模型;针对传统部署方法的不均匀性,提出了一种新的升力式再入飞行器全球部署方法。该方法采用双倾角条带覆盖方式克服了传统部署方法的固有缺陷,既实现了全球覆盖又提高了重点区域的覆盖重数。仿真结果表明该部署方法的覆盖性能相对传统方法有明显提高,在满足全球100%覆盖的同时又对重点区域的覆盖重数提高了约20%,覆盖性能优异。     

无需变轨实现单航天器对星座中多卫星的近距离接近

针对目前广泛应用的相位同构星座,讨论了一种无需变轨实现单航天器与多颗卫星近距离接近的轨道设计方法.其设计思想是首先根据接近任意两颗卫星轨道的约束条件得到轨道簇,再利用搜索的方法从中找出能接近其他一颗或多颗卫星的轨道.研究表明,利用这种方法能设计得到至少接近三颗非共轨卫星的多条轨道.文中给出了一个算例,针对描述符为6018/6/2的星座,得到了多条能接近3-5颗卫星的轨道.     

无需变轨实现单航天器对星座中多卫星的近距离接近

针对日前广泛应用的相位同构星座，讨论了一种无需变轨实现单航天器与多颗卫星近距离接近的轨道设计方法。其设计思想是首先根据接近任意两颗卫星轨道的约束条件得到轨道簇，再利用搜索的方法从中找出能接近其他一颗或多颗卫星的轨道。研究表明，利用这种方法能设计得到至少接近三颗非共轨卫星的多条轨道。文中给出了一个算例，针对描述符为60：18／6／2的星座，得到了多条能接近3—5颗卫星的轨道。     

采用改进非支配近邻免疫算法的低轨混合星座设计优化

针对低轨同构星座覆盖资源在纬度上分布不均匀的不足,提出采用低轨混合星座提升覆盖均匀性的设计方案,并推导了满足全球任意点平均每天覆盖一定次数的最小卫星规模估算公式。针对非支配近邻免疫算法（NNIA）约束处理方面的不足,提出基于约束支配的改进非支配近邻免疫算法（Modified NNIA）,并以此设计了一种低轨混合星座优化平台来优化带约束的星座设计问题。仿真结果表明,改进的NNIA算法在收敛速度和多样性上均优于非支配分层遗传算法（NSGA II）和多目标粒子群算法（MOPSO）,可大大提高星座设计的效率。同时优化结果也表明低轨混合星座可提高覆盖的均匀性和大部分区域的覆盖次数,进而减少特定覆盖要求所需的卫星数目。     

火灾监视卫星有效载荷参数与星座设计

根据火灾监视对卫星载荷和卫星轨道的约束,基于低轨太阳同步回归轨道讨论了火灾监视卫星星座的设计,由卫星对地覆盖几何关系求解了典型卫星星座的星载传感器参数.计算结果表明:设计的火灾监视卫星有较高的地面分辨率,火灾监视卫星星座的最大轨道响应时间6h,平均响应时间3h.     

一种对地四重覆盖星座构型设计方法

针对传统星座设计中覆盖模型求解困难,覆盖性能统计不便等问题,提出一种基于二维图的对地四重连续覆盖星座构型设计新方法。首先对传统的二维空间坐标系进行了改进,利用球面几何学分析了覆盖圆与卫星轨道的相对位置关系,建立二维图和星座网格的解析数学模型。通过对数学模型的进一步分析,归纳与总结了二维图的几何性质。将星座对纬度带的覆盖转化为对纬度带上任意点的二维图的覆盖,提出星座网格对二维图的单重和四重连续覆盖条件。在此基础上,研究四重覆盖星座构型的设计与筛选方法,从而避开了覆盖性能统计的复杂过程。最后对二维图基本理论和星座设计方法进行了实例仿真,校验了该方法的可行性。     

高精度重力场下回归轨道半解析优化设计

为解决太阳同步回归轨道的标称设计问题,提出一种基于高精度重力场的半解析优化方法。建立地球非球形引力摄动阶数为J15 的高精度重力场解析模型,并分离出引力摄动的长期项和长周期项。构建回归轨道从半长轴到平交点周期的对应关系,平交点周期变化随引力摄动阶数的提高而逐渐收敛。通过微分修正迭代算法所确定的半长轴相对于传统J2摄动模型的半长轴确定值具有更高的精度和更好的稳定性。考察摄动短周期项影响下的密切交点周期,结果表明其受初始位置(平近点角)影响较大,变化范围为0.015s,并由此给出精确回归轨道优化设计的基准：不同的初始位置上满足星下点轨迹严格回归的半长轴期望值。     

中低轨红外预警星座基于自由段跟踪的单星覆盖性能

推导了中低轨天基红外星座中单颗卫星基于自由段跟踪时的空域覆盖体积与星下黑体积,研究了其随轨道高度变化的规律,分析了存在切地角影响时的体积变化,并进行了计算。     

一种具备星间链路的中轨对地观测星座设计

采用轨道高度为2165.6 km、回归周期为1天的太阳同步回归轨道建立了一个包含6颗卫星、具备星间链路的中轨对地观测星座。通过卫星自身的侧摆姿态机动功能,可以实现对同一目标1天之内的多次观测,以完成区域性准实时成像、灾害灾情监测等任务,极大地提高了观测的时间分辨率。在星座内部,相邻两颗卫星之间建立了5000 bit/s码速率测控和250 Mbit/s码速率数传的星间链路,能够充分利用单颗卫星在境内的可视弧段,通过地面与单颗卫星建立星地链路就可以同时完成与所有卫星的星地通信。     

卫星星座的相对几何和区域覆盖重复周期

研究了在设计δ星座或者由几个δ星座的某些卫星构成的星座时经常需要考虑的三个问题：任意两颗卫星是否在同一条星下点轨迹上，同一条星下点轨迹上的卫星通过某一区域的相对顺序和星座对某特定区域或地点覆盖重复周期的计算。首先对δ星座中卫星之间的相对几何关系做了详细的分析，给出了第一个问题的判断准则，并进一步导出了位于同一条星下点轨迹上的卫星通过某一指定地区的相对顺序以及相应的时间间隔的计算方法。在解决前两个问题的基础上，针对由一个或几个δ星座(或子星座)构成的设计星座，给出了计算其区域覆盖重复周期的方法。     

针对特定区域的雷达卫星低倾角轨道及组网研究

为提高对中低纬度带特定区域的时间分辨率,对雷达卫星可选择低倾角地面轨迹重复轨道进行了研究。定义了地面轨迹重复轨道,考虑因地球带谐项摄动地方时存在周期性变化,结合轨道和载荷特点,提出了针对特定区域多星组网、轨道面均分、合理设置纬度幅度使地面轨迹一致,实现互补最大重访时间盲区的组网设计方法。给出了以福州为目标区域的雷达卫星轨道及组网设计,分析了其覆盖能力和重访特性。仿真表明:采用低倾角地面轨迹重复轨道具备对特定区域每天连续4~5轨的覆盖能力,通过3颗卫星组网,最大重访时间即可缩短至2h内,可较好地适于雷达卫星对特定区域成像侦察任务。     

空间快速响应航天器轨道/弹道一体化规划

以空间应急响应任务为背景,采用轨道/弹道一体化规划设计方法,实现空间快速响应航天器全程飞行轨迹规划。在分析弹道设计参数对轨道参数影响性的基础上,将弹道规划分为程序角参数设计和发射诸元参数设计,采用改进的粒子群算法和牛顿迭代法进行混合优化求解。算例表明,使用混合优化求解方法收敛速度快,迭代次数少,易于工程实现,能满足一体化任务规划的快速性要求,可为空间快速响应航天器设计提供理论参考。     

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。     

面向飞行器自主导航的铱星/星链星座覆盖性及可见性分析

针对低轨星座机会信号导航中单星座构型和可见星数无法同时满足高精度、高可用性的难题,基于铱星、星链轨道参数,建立了单星座和混合星座模型,探究了各个星座覆盖重数、覆盖率及飞行器对上述星座的可见性。研究结果表明：飞行器可见星数随飞行高度增加而减少,随飞行器最小观测仰角增大而减少,星链和铱星的融合可显著增加纬度60°以上区域可见星数。铱星对全球不同纬度、不同时间具有100%全覆盖;星链目前覆盖区域向两极拓展,对全球覆盖重数最大为56,最小为0,未实现全球不同纬度、全时段100%的覆盖率,但中国区域星链覆盖率均优于美国区域。星链和铱星的混合星座使全球覆盖重数优于10,不同纬度、不同时间覆盖率达到100%,显著优于单星座。     

分布式卫星系统在轨操作的多目标分配

针对空间在轨操作目标分配问题,以分布式卫星系统为研究对象,提出了一种基于粒子群算法的在轨操作多目标分配方法。以分布式卫星机动所消耗的总能量最省为目标函数,建立了在轨操作多目标分配的数学模型。基于固定时间拦截理论,以机动时刻和对应的速度增量作表征,设计实现了单颗卫星最优机动方案。通过合理设计粒子位置与目标分配解的对应关系,采用粒子群算法对问题进行了求解,并详细阐述了算法的实现步骤。算例分析结果表明,建立的模型和算法能够快速得到正确的可行解,可有效解决多约束条件下空间在轨操作的多目标分配问题。