航天器相对运动水滴型悬停轨道研究

对航天器相对运动的C-W方程进行了分析,提出了航天器相对运动轨道设计中的一种水滴型悬停轨道,能够实现航天器相对空间目标在一定范围内进行悬停,并且只需使用脉冲速度增量控制即可实现长时间的悬停。文章对悬停轨道的悬停周期与目标航天器轨道参数和悬停位置的关系,以及悬停控制所需的速度增量ΔV进行了分析,给出了进行悬停轨道选择及设计的工程方法,并对C-W方程的状态转移矩阵进行了推导,得到了由常规的后方伴飞轨道使用脉冲速度控制方案进入目标星正下方的悬停位置的初始速度增量、转移时间及末端速度增量。根据分析结果,水滴型悬停轨道有利于工程实现,其设计方法可以应用于航天器在轨服务、侦察、巡视等任务的轨道设计。     

利用连续推力的人工太阳同步轨道设计方法

针对人工太阳同步轨道的设计方法进行研究,通过施加法向连续推力调整升交点赤经（RAAN）变化率。首次推导了升交点赤经在变方向推力作用下的周期摄动平均值的精确计算公式,解决了已有近似方法对相关轨道参数的取值范围存在限制的问题,并给出了对应的轨道倾角周期摄动平均值计算公式。在分析J2项摄动对升交点赤经影响的基础上,给出了所需的法向连续推力幅值和一个轨道周期内对应的速度增量的计算方法。通过数值仿真,校验了计算公式的正确性,分析了实现人工太阳同步轨道的连续法向推力对轨道倾角的影响,给出了连续推力幅值随轨道参数的变化规律,并且提出了未来工程任务的应用建议。     

椭圆轨道交会、悬停与绕飞的全状态反馈控制

面向大椭圆轨道航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,对大椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,采用幂级数法分别在脉冲推力和常值推力作用两种情况下对系统进行了近似求解。通过对系统解的变换以及对系统状态的重构,给出了大椭圆轨道上的三种交会制导律。脉冲推力作用假设下的脉冲制导类似近圆轨道的Hill制导方法。常值推力作用假设下的全状态反馈制导律则在交会制导、相对悬停和循迹绕飞控制的过程中实现了对相对位置和相对速度的同步控制。通过构造新的系统状态,改进的变系数全状态反馈制导律提高了相对速度的制导精度,降低了相对制导过程中的最大轨控加速度。三种制导律的制导效果通过数学仿真进行了校验和比较,文中给出的方法实现了椭圆轨道上相对交会制导、悬停保持和循迹绕飞控制。     

空间飞行器连续径向推力机动轨道研究

在二体假设下对空间飞行器在径向推力作用下的机动轨道进行了研究。首先,在惯性坐标系中建立了空间飞行器在径向推力作用下的动力学方程,探讨了径向推力机动轨道的动量矩矢量和能量特性;然后推出了空间飞行器在径向推力作用下的逃逸条件,探讨了在圆轨道上运行的空间飞行器在连续常值径向推力作用下的三类机动轨道的特性,并给出了相应的算例及仿真计算结果;最后,研究了连续常值径向推力圆轨道,得出了空间飞行器在连续常值径向推力作用下沿圆轨道运行的条件,并与对应的等半径开普勒圆轨道和等角速度（等周期）开普勒圆轨道进行了比较。     

利用库仑力实现悬停轨道的新方法研究

研究了利用库仑力控制实现近距离悬停轨道的问题。针对常规推力器对悬停任务可能产生的羽流污染,提出了一种使用航天器间库仑力实现悬停轨道的新方法,并研究了使用该方法实现悬停轨道的开环与闭环控制问题。基于所建立的库仑力悬停轨道动力学模型,给出了目标为一般椭圆轨道时的开环控制律。基于线性化的悬停轨道动力学模型,给出了目标轨道为圆轨道时的闭环控制律,并进行了数值仿真,结果表明所建立的动力学模型及所设计的控制律是有效的和可行的。文章提出的方法也可以用于其他类型的航天器近距离相对运动控制问题。     

椭圆参考轨道水平圆构形编队设计与演化

以椭圆参考轨道周期性线性绕飞条件为约束,给出了形式简单直观的椭圆参考轨道周期性相对运动的解析解。该解析解消除了Carter解中的定积分项,具备简单的表达形式,可方便快速地设计椭圆参考轨道编队卫星的构形。通过对周期性解析解的直观分析,设计了椭圆参考轨道水平圆编队构形,将水平圆构形的设计由传统的圆参考轨道推广到椭圆参考轨道;分析了椭圆参考轨道水平圆构形的特点,并研究了它的演变规律。该研究加深了对椭圆参考轨道周期性相对运动的理解,扩展了水平圆编队的应用范围。     

快速绕飞卫星空间圆编队设计方法

连续小推力条件下,针对圆参考轨道卫星,推导了满足快速绕飞条件的空间圆编队动力学模型。分析了一个绕飞周期内的燃耗情况。在绕飞周期确定的条件下,给出了最小燃耗的计算方法,并利用数值方法验证了所推导公式的正确性。计算结果表明,在高度为500km的圆轨参考道卫星实现周期为10分钟、半径100m的空间圆绕飞,一个绕飞周期所需最小速度增量约为4.77m/s。文章提出的基本设计原理并不局限于空间圆编队,也可用于其它快速绕飞编队的设计工作。
     

平面脉冲作用下卫星轨道的可达范围研究

对于在初始轨道任意点施加平面内幅值固定、方向任意的脉冲后卫星的可达范围进行研究。考虑脉冲幅值较小,生成轨道均为椭圆,分别针对初始轨道为圆和椭圆的情况进行研究。对于初始轨道为圆的情况,指出了可达范围为两圆形包络所夹的圆环;对于初始轨道为偏心率较小的椭圆的情况,给出了利用椭圆近似描述包络的表达式,并指出构成包络的点可以看作是在施加平行于初始速度方向的脉冲所生成的轨道上与脉冲施加点的真近点角相差约180. 的点。     

卫星轨道圆化的有限推力点火控制策略

本文研究卫星轨道圆化的点火控制策略，发动机推力为有限常值，方向可调。考虑了燃料消耗引起的质量损失。假设圆轨道上有一飞行器在运动，称为虚拟轨道器。只要卫星与虚拟轨道器软交会，就完成了轨道圆化。文中给出了使卫星与虚拟轨道器软交会的推力方向控制策略和点火位置与关车位置的求取方法。仿真结果表明，本文方法与水平推力策略和切向推力策略相比，具有更高的控制精度，而且燃料消耗接近最优。     

基于对数螺旋线的非开普勒轨道设计

基于形状的方法为非开普勒轨道设计提供了一种全新的研究思路。在假定轨道形状为对数螺旋线的前提下设计了拦截轨道。首先通过无量纲化处理方法推导出了对数螺旋线轨道的地心距、极角随时间的变化率与轨道设计参数q的关系式;其次结合运动方程,得到了飞行器沿对数螺旋线轨道运行时需要施加的推力加速度;接着分别针对初始轨道是圆和椭圆的情况进行机动轨道设计。给出了轨道设计的仿真算例和相关分析,结果表明对数螺旋线适宜于拦截轨道设计;当初始轨道为大偏心率椭圆时,采用此方法设计轨道,在一定相角范围内开始机动,可使飞行器运行时间短,且燃料消耗少。     

超低轨卫星气动力辅助轨道控制研究

针对超低轨卫星所受气动力显著的特点,提出一种利用气动舵的气动力辅助轨道控制方法。通过分析大气旋转、卫星所处空间位置以及气动舵偏转角度对气动力的影响,对提出的轨道控制方法进行了优化。该方法通过调整气动舵产生连续微小的气动力对卫星轨道进行控制,使各轨道要素均保持在误差容限范围内。将其应用于太阳同步轨道上的对地观测卫星,仿真结果表明,该方法可以在卫星姿态保持三轴对地稳定的前提下,实现轨道保持控制,保证任意纬度下卫星实际位置与标称轨道位置偏差在给定范围内。     

圆轨道近程自主交会轨道设计

采用线性化CW方程研究了空间飞行器近程自主交会轨道设计问题。结合多冲量滑移算法和工程上对交会时间的要求,提出了快速、指数及慢速滑移轨道的概念,给出了三种轨道的设计方法和实现算法。本方法可以实现接近操作减速以及撤离操作加速的任务要求。通过仿真对接近和撤离等交会操作进行了验证,仿真结果表明设计方法可行,满足交会任务对时间及状态参数变化规律的要求。     

近地卫星简化轨道预报方法研究

基于航天器轨道动力学的基本原理对轨道动力学模型简化,以保持模型精度,同时降低计算负担.某些简化的天文学模型包括岁差、章动、恒星时模型等.针对轨道坐标系统、轨道动力学模型等,利用引力加速度估计函数(GAAF)代替传统的计算量过大的球谐引力场函数模型.其它简化技术包括日月解析星历模型代替DE405模型、简化的大气密度模型以及用于轨道积分的Bulirsh-stoer·积分器等,可进一步减少计算负担.算例表明,本方法作为一种高精度的轨道积分器,可用于星上计算或者轨道蒙特卡罗仿真.计算结果表明其计算时间远小于全尺度模型的1%,而精度相当.算法由CHAMP卫星的真实星上GPS观测数据验证.     

低轨卫星倾斜轨道设计及优化

根据有效载荷性能和任务需求对低轨卫星的倾斜回归圆轨道设计进行了研究,以升交点赤经为参数,对1个回归周期内特定目标的覆盖性能指标进行了优化。算例表明:卫星对地面目标点的覆盖率可达0.977 5。如需对多个目标点或目标区域进行观测,可在此基础上增加目标点再作优化设计,以获得最佳覆盖性能。     

大椭圆星载轨道预报系统设计

分析了大椭圆星载轨道预报对模型精度的要求,对大椭圆轨道动力学模型进行了合理的简化,比较了多个单步数值迭代算法的优劣,选择了适合大椭圆星载轨道预报要求的单步迭代算法,建立了大椭圆星载轨道预报系统.仿真结果验证了该预报系统的可用性与高效性.     

月球轨道交会任务的远程导引变轨策略研究

对国内外月球轨道交会远程导引段变轨策略的2~5脉冲变轨方案进行了比较分析,在考虑月球轨道交会飞行任务测控资源有限和航天器所带燃料受限等特点的基础上,确定了我国月球轨道交会远程导引段的变轨策略为4脉冲方案;并介绍了在4脉冲基线轨道方案的基础上,进行标称轨道设计和月面上升窗口初步分析的结果。研究结果可为我国月球轨道交会对接任务提供参考。     

月球卫星轨道摄动及冻结轨道研究

利用理论分析、数值仿真与相图分析,论述了月球卫星冻结轨道与地球卫星冻结轨道的区别,分析结果表明,月球重力场存在较大异常,会引起月球卫星轨道发生较大漂移。月球冻结轨道在田谐项影响下,还存在中等周期的漂移。仅简单考虑带谐项系数,无法求得完美的月球冻结系数。月球重力场异常对绕月卫星的影响与地球相比存在很大区别。月球轨道卫星的长期运行与控制策略的设计,不能按照地球轨道卫星的传统方法。目前使用的月球引力模型精度较差,尽管基于这些不可靠的引力模型,可以得出很多有用结论,但对未来高精度的月球探测任务来说,还存在不足,需要在将来的月球探测任务中,探测高精度的月球重力场,以利于未来月球探测航天系统的任务分析与设计。     

近地卫星星历的高精度星载算法研究

随着星载计算机系统结构和性能的改善,利用星载计算机实现高精度的星历计算成为可能。本文针对近地轨道卫星提出了一种适合星上轨道预报的数值算法。通过采用简化的动力学模型和一种嵌套插值算法的积分器,有效提高了计算效率,降低了对星载计算系统的性能要求,从而实现高精度的卫星星历星载计算。该算法在星载计算机系统平台上进行仿真验证的结果表明,对于某飞行器可实现轨道预报1天优于1km的星历计算。     

地月平动点拟周期轨道探测器自主导航方法研究

地月L2点的拟周期轨道可以用于实现与月球背面的持续通信,具有重要的科学研究价值和广阔的应用前景。针对地月L2点探测器所处的弱稳定拟周期轨道,论证了基于日地月信息的自主导航方法的可行性,并进行了深入分析。首先,推导了会合坐标系下带有星历的精确导航动力学方程;其次,针对弱稳定轨道不同于近地强稳定轨道的特性,在基于日地月方位信息导航的基础上,提出了三种敏感器组合方案。使用迭代最小二乘方法给出导航仿真结果,并结合非线性可辨识性理论对这三种情况下历元状态的可辨识性及可辨识度进行分析。最后,仿真结果表明,使用日地月敏感器以及对地多普勒雷达可以满足历元状态的可辨识性、导航的收敛性以及系统经济性的要求。     

航天器共振轨道研究

建立航天器非开普勒运动理论是航天技术发展的必然。提出了一类非开普勒轨道——共振轨 道。共振是自然界的一种普遍现象,当发生共振时,很小的输入可以使系统的状态产生较大 变化。研究表明航天器在推力作用下的非开普勒运动在参数平面内可以视为一种受迫振 动,也会发生共振现象。因此,可以利用共振原理来研究航天器的运动,称这样一类非开普 勒轨道为共振轨道。首先通过合理地选择轨道描述参数、时间尺度和推力描述方式建立 航天器共振轨道的动力学模型。然后讨论航天器在推力作用下轨道运动的振动规律,并给出 共振轨道的概念及轨道方程。最后提出基于共振轨道的机动轨道设计方法。