一类由星下点反算卫星近圆回归轨道的方法

提出了一类近圆回归轨道的设计方法,解决当飞行任务对星下点有要求时,近圆回归轨道的设计问题。分析了星下点轨迹与轨道参数的关系,概括为当对星下点轨迹有要求时,近圆回归轨道的设计依赖于轨道半径和轨道倾角两个参数的确定。以轨道半径和轨道倾角为未知量依据星下点轨迹要求条件构建了非线性方程组,但直接求解过于复杂,采取迭代的方法解决。编制了MATLAB程序进行设计计算,并将计算结果用软件STK(Satellite Tool Kit)进行仿真。仿真结果显示,该算法能够较好的实现设计目标。     

微小卫星编队飞行解析构型维持控制方法

编队构型维持是卫星编队飞行的基础.J2摄动和大气阻力是影响近地轨道卫星编队构型的主要摄动力,通常导致星间相对速度的长期变化,从而造成编队构型发生漂移.本文针对近地轨道卫星编队飞行,基于平均化的思想,采用平均相对速度表示编队构型漂移率,推导了平均相对速度与脉冲速度增量之间的解析表达式.通过引入平均相对加速度,将摄动力下的相对运动等效为匀变速直线运动.将其与单边极限环控制方法结合,提出一种基于星间测距信息的解析构型维持控制策略.仿真结果表明,该解析算法简单有效,易于工程实现,尤其适合微小卫星的星间自主控制.      

横向连续推力小偏心率人工冻结轨道设计

非临界倾角自然冻结轨道要求近地点幅角为90°, 偏心率在1× 10-3量级, 并且偏心率与轨道倾角和半长轴有特定的对应关系, 苛刻的要求极大地限制了轨道根数选择的多样性. 研究表明, 施加常幅值、方向半轨道周期切换的横向连续小推力可以形成任意轨道根数的小偏心率人工冻结轨道, 放宽自然冻结轨道对轨道根数的严苛限制. 维持小偏心率人工冻结轨道的横向连续推力a_T与半长轴的平方根成正比, 与偏心率大小成反比; 在临界倾角i_c附近, 推力a_T与倾角偏置量Δi近似呈正比, 且长期维持的燃料消耗较小. 此外, 在进行仿真计算时还需考虑拟平均轨道根数与瞬时轨道根数的转换.      

月球卫星轨道设计优化

利用带谐项J2和J3对月球卫星轨道进行了优化设计．首先分析了月球卫星轨道摄动因素对轨道的影响，其次推导了对应于J2和J3项的冻结轨道计算公式，并通过对仅包含月球引力场模型的运动微分方程，直接积分计算轨道的变化进行了验证．最后，通过合理选择初始轨道的偏心率e0和近月点幅角ω0，对月球卫星极轨道进行了优化设计，给出了设计公式并进行了仿真．结果表明，这种优化设计方法是很有效的．     

一种空间交会绕飞段的小推力滑移制导方法

小推力技术在空间交会任务中应用前景巨大,可用于长期绕飞和快速绕飞任务．研究滑移制导方法在空间绕飞中的具体应用,给出任意空间绕飞任务的描述方式,推导任意平面内的圆轨道绕飞和椭圆轨道绕飞公式．考虑实际工程需要,研究基于小推力发动机的滑移制导方法在工程上的实现问题,仿真验证了小推力技术在绕飞任务中的工程可行性．     

两种J_2摄动模型下卫星编队相对位置误差分析

为了研究一个轨道周期内卫星和卫星编队的运动规律,在J2摄动理论基础之上,采用摄动加速度分析方法,给出了J2瞬时摄动模型。以近地太阳同步轨道卫星和双星编队为例,与只考虑J2一阶长期项的平均摄动模型比较,仿真分析结果表明,对卫星而言,一个轨道周期内,卫星半长轴相对平均半长轴漂移达到18km,偏心率相对平均偏心率漂移达到10-3量级,轨道倾角相对平均轨道倾角漂移达到0.01°,即由于J2瞬时摄动的影响,卫星运动发生了摄动;对双星编队而言,一个轨道周期内,两星相对位置的径向误差达到5km,沿迹向误差达到19km,法向误差相对较小,在10-2量级上,相对距离的误差达到了19km,随着时间的推移,误差会越来越大。     

地气光辐射对空间目标成像特性影响分析

为分析地气光辐射对空间目标成像特性的影响,以地球同步轨道(GEO)卫星搭载的可见光成像器为探测平台,利用卫星工具包(STK)设计高椭圆轨道(HEO)及近地轨道(LEO)目标运动场景,根据空间目标、地球、太阳、探测平台之间的位置关系,采用微元法建立空间目标与地气光背景等效星等模型,推导出空间目标信噪比(SNR)计算公式。分析了距离、角度参数变化对不同轨道空间目标、地气光背景等效星等及空间目标信噪比的影响。仿真结果表明:当探测平台距离空间目标较远时,地气光背景等效星等低于空间目标等效星等,地气光辐射比空间目标信号强。当地气光辐射进入和离开空间目标探测视场时,空间目标信噪比最大,该时间段是进行空间目标探测的最佳“观测窗口”。仿真得出的空间目标信噪比值为空间目标探测识别提供了理论计算依据。      

Walker星座摄动分析与保持控制策略

针对运行在中高轨道上的全球Walker星座的构形长期保持控制问题,通过分析星座卫星的轨道摄动及构形相对漂移,研究了星座构形长期保持的控制方法及控制策略.对于星座构形的保持,研究了星座构形摄动补偿法,提出了星座构形数值微分修正法.最后给出了全球星座构形长期保持控制策略并进行了仿真验证,仿真分析表明,星座构形数值微分修正法比构形摄动补偿法具有更高的控制计算精度.     

基于偏心率和倾角矢量的双星隔离策略

针对中国地球静止轨道双星共位的需要, 研究了双星共位的工程实现问题, 提出了一种使用偏心率矢量和倾角矢量联合隔离实现双星共位的方法. 给出了基于偏心率矢量和倾角矢量联合隔离的基本方法、约束方程和工程实现的控制策略, 并通过模拟计算和工程实际应用情况, 验证了该方法的正确性.      

基于连续覆盖特性分析的星座设计

研究了需要对地面目标进行连续覆盖的星座的设计问题．首先推导了对覆盖性能有重要影响的星间覆盖间隔时间和轨道面覆盖间隔时间的计算公式，通过算例针对不同配置的星座进行了计算，使用工程仿真软件STK验证了分析结果．通过理论分析、算例计算以及工程仿真为该类型星座设计提供了理论指导。     

倾斜同步轨道卫星交叉点位置演化及保持

倾斜同步轨道(IGSO)卫星交叉点位置在各种轨道摄动因素和入轨偏差的共同影响下,其交叉点位置会在赤道上发生漂移,这种漂移将导致服务区域的漂移,从而影响系统的性能,因此IGSO卫星需要进行定期的交叉点位置保持来保证服务的稳定。对IGSO卫星交叉点位置的演化和保持问题进行了深入的研究,首先,讨论了IGSO卫星交叉点位置的演化规律,给出了在地球非球形引力、日月引力摄动以及卫星入轨偏差作用下的交叉点位置的演化公式,并分析了公式的精度;接着,在对交叉点位置演化规律的分析基础上,进一步讨论了IGSO卫星交叉点位置保持策略。     

Semi-analytical theory of mean orbital motion for geosynchronous space debris under gravitational influence

This paper provides a hamiltonian formulation of the equations of motion of an artificial satellite or space debris orbiting the geostationary ring. This theory of order 1 has been formulated using canonical and non-singular elements for eccentricity and inclination. The analysis is based on an expansion in powers of the eccentricity and of the inclination. The theory accounts for the influence of the Earth gravity field expanded in spherical harmonics, paying a particular attention to the resonance occurring for geosynchronous objects. The luni-solar perturbations are also taken into account. We present the resonant motion and its main characteristics: equilibria, stability, fundamental frequencies and width of the resonant area by comparison with a basic analytical model. Finally, we show some results concerning the long term dynamics of a typical space debris under the influence of the gravitational field of the Earth and the luni-solar interactions.     

Modeling and analysis of Earth’s gravity field measurement performance by inner-formation flying system

The Earth’s gravity field can be measured with high precision by constructing the purely gravitational orbit of the inner-satellite in Inner-formation Flying System (IFS), which is independently proposed by Chinese scholars and offers a new way to carry out gravity field measurement by satellite without accelerometers. In IFS, for the purpose of quickly evaluating the highest degree of recovered gravity field model and geoid error as well as analyzing the influence of system parameters on gravity field measurement, an analytical formula was established by spectral analysis method. The formula can reflect the analytical relationship between gravity field measurement performance and system parameters such as orbit altitude, the inner-satellite orbit determination error, the inner-satellite residual disturbances, data sampling interval and total measurement time. This analytical formula was then corrected by four factors introduced from numerical simulation of IFS gravity field measurement. By comparing computation results from corrected analytical formula and the actual gravity field measurement performance by CHAMP, the correctness and rationality of this analytical formula were verified. Based on this analytical formula, the influences of system parameters on IFS gravity field measurement were analyzed. It is known that gravity field measurement performance is a monotone decreasing function of orbit altitude, the inner-satellite orbit determination error, the inner-satellite residual disturbances, data sampling interval and the reciprocal of total measurement time. There is a match relationship between the inner-satellite orbit determination error and residual disturbances, in other words, the change rate of gravity field measurement performance with one of them is seriously restricted by their relative size. The analytical formula can be used to quantitatively evaluate gravity field measurement performance fast and design IFS parameters optimally. It is noted that the analytical formula and corresponding conclusions are applied to any gravity satellite which measures gravity field by satellite perturbation orbit.     

下行重力波波包在可压大气中的传播

应用ADI格式模拟下行重力波在二维可压大气中非线性传播。结果显示，重力波能量向下传输，波振幅明显衰减，与线性方程的数值模拟结果的比较表明，在非线性情况下，重力波仍可保持线性传播的某些特征，蜚 线性效应随波振幅的衰减对波包传播速度的修正作用很快变弱。     

太阳中纬度探测共振借力轨道设计

针对太阳中纬度探测任务,设计了共振借力轨道方案.根据离开超越速度的解析表达式得到借力后日心轨道的可行集并将结论推广到任意借力行星.进而提出RRpInc图形化设计方法,通过RRpInc图分析得到共振借力的超越速度大小直接决定了最终轨道倾角.以共振借力行星作为目标星体设计借力转移轨道,以逃逸速度和到达超速作为性能指标,采用多目标优化算法优化.给出了两个设计方案:方案1选择金星作为共振借力行星,探测器通过"金星-地球-地球"借力飞行增加金星共振借力前的超越速度;方案2选择地球为共振借力行星,探测器在木星借力后返回地球共振借力.两个方案最终轨道倾角分别约为30°和35°.     

太阳同步冻结轨道星座保持与捕获

太阳同步冻结轨道卫星在经过同一星下点时光照特性和轨道高度相同，便于载荷观测及定标.由多颗太阳同步冻结轨道卫星组成的星座，需要实现星座成员轨道倾角、轨道高度、偏心率矢量和相对轨道幅角的同时保持.提出了基于切向单脉冲的最低燃耗轨道面内保持策略，证明了该策略的稳定性和燃料最优性， 给出了太阳同步轨道地方时保持简单算法.仿真证明，基于本策略的星座成员能跟踪并捕获目标轨道.面内保持策略还可用于低轨卫星编队低燃耗控制.     

Necessary conditions for the optimality of singular arcs of spacecraft trajectories subject to multiple gravitational bodies

This document analyzes the optimality of intermediate thrust arcs (singular arcs) of spacecraft trajectories subject to multiple gravitational bodies. A series of necessary conditions for optimality are formally derived, including the generalized Legendre–Clebsch condition. As the order of singular optimality turns out to be two, an explicit formula for the singular optimal control is also presented. These analytical outcomes are validated by showing that they are identical to Lawden’s classical result if the equations of motion are reduced for a central gravity field. Practical utility is demonstrated by applying these analytical derivations to a candidate optimal trajectory near the Moon subject to solar and Earth perturbation. While the candidate optimal trajectory turns out to be bang-singular-bang, the intermediate thrust arc satisfies all the necessary conditions for optimality.     

线性伪谱模型预测能量最优姿态机动控制方法

针对大气层外飞行器大角度姿态机动控制问题,提出了一种能量最优的线性伪谱模型预测大角度姿态机动控制方法。首先,通过离线弹道规划获得满足初始、终端约束且能量最优的姿态机动控制轨迹;然后,以离线弹道为基准对姿态动力学方程进行小扰动线性化处理,获得以状态偏差为自变量的线性误差传播方程;最后,以能量最优作为性能指标,通过高斯伪谱法对原问题进行离散,推导获得满足终端偏差修正的控制解析表达式。数值计算和蒙特卡罗仿真表明,该方法不仅计算精度高、求解速度快,满足实时计算要求,而且具有较强的鲁棒性,能够实时消除各种干扰。此外,在同等控制精度条件下,该方法相对传统线性二次型调节器（LQR）跟踪方法,能量消耗减小10%。      

Gravity field model adjustment from ERS-1 and TOPEX altimetry and SLR tracking using an analytical orbit perturbation theory

The JGM-2 gravity field model has been adjusted using 70 days of ERS-1 and 19 10-day repeat cycles of TOPEX/Poseidon SLR and single satellite altimeter crossover differences. In addition, dual satellite altimeter crossover differences between ERS-1 and TOPEX for the selected 70-day period of ERS-1 and TOPEX repeat cycle 18 have been used in the JGM-2 model adjustment. In the computation of the normal equations, use was made of the analytical Lagrange linear perturbation theory. The single satellite altimeter crossover difference rms was brought down from 15.2 to 14.1 cm for ERS-1 and from 10.6 to 10.5 cm for TOPEX. The dual satellite altimeter crossover difference rms was reduced from 17.7 to 16.9 cm. Furthermore, the weighted rms of fit of SLR measurements was brought down from 16.0 to 14.4 cm for ERS-1, and from 5.4 to 5.0 cm for TOPEX/Poseidon.     

基于视线测量的卫星编队机动控制方法

采用视线测量的方法,建立一种编队卫星队形保持与机动的协同控制策略。编队中每一个卫星跟踪自己轨道前方邻近卫星,产生一个视线测量矢量,编队的第一个卫星根据高级控制层指令追踪期望轨道,产生链式编队,将编队卫星之间的视线距离作为反馈控制量来实现队形控制。通过推导J2相对摄动力的表达式,控制模型考虑了模型不确定性和摄动影响,采用滑模控制器,实现了基于视线测量的编队卫星链式跟踪协同控制。仿真算例结果表明,该方法在实现编队卫星队形保持与整体机动控制上具有可行性。