星载GPS接收机的设计与应用

随着空间技术的不断发展，星载GPS接收机已经逐渐发展成为航天器的一个重要平台载荷。它可以为航天器提供全球、全天候、实时、高动态、高精度的导航信息，并且提高航天器运行的自主性。本文对星载GPS接收机的设计及其在航天器，特别是编队飞行中的应用进行了阐述。文章介绍了几项应用GPS技术进行编队飞行的空间计划，指出了载波相位差分GPS技术在编队飞行相对导航中的重要作用；介绍了清华一号纳型卫星上的星载GPS接收机的研究进展，并在此基础上提出了编队飞行相对导航系统的设计方案。     

GPS在航天器编队飞行任务中的基础性作用

GPS正在改变航天器的测控格局 ,拓宽卫星和星座控制技术 ,从而构成空间编队飞行定时、测量和控制的技术基础。国内外已开发出对航天器编队飞行任务进行精确定位和导航的GPS方案。GPS将充当一大类多航天器编队飞行任务的导航系统。在当前开发的空间编队飞行技术中 ,编队航天器的测量和控制、星间链路通信、任务综合与验证、编队飞行试验台、分散式控制、高轨道航天器的相对导航等 ,无一不与GPS息息相关     

基于非线性滤波技术的多航天器编队飞行相对导航

航天器编队飞行协调工作,必须精确确定各航天器的相对位置和相对速度,即进行编队飞行相对导航,本文提出了一种UKF和卡尔曼滤波组合的非线性滤波算法,并将算法应用于编队飞行的载波相位差分GPS相对导航。     

航天器编队飞行及其关键技术的开发

简要论述由分布式航天器系统构成的空间编队飞行的概念 ,扼要介绍 NASA为未来航天器编队飞行项目开发的几项关键技术 ,着重阐明基于 GPS的分散式编队飞行控制和相对导航技术能充当未来多星编队飞行任务的导航系统 ,从而使未来的空间科学研究发生深刻变化     

航天器编队飞行和空间演示验证技术——有人照料空间实验室与平动-转动物理仿真器

航天器编队飞行是近年来国内外航天领域研究的热点问题,同时也是空间技术今后一个重要发展方向。为此文章首先讨论航天器编队飞行特点;其次研究编队飞行今后能否获得顺利成功应用,有关它的各种算法和软件空间飞行演示验证技术和方法;最后介绍了美国麻省理工学院空间系统实验室（MITSSL）对航天器编队飞行算法软件空间演示验证的方法和实验。     

基于激光实时跟踪测量的航天器编队相对位置测量方法

为了解决编队航天器间相对位置的高精度测量，实现航天器编队自主飞行，提出基于激光实时跟踪测量航天器间相对位置的测量定位方法，建立了航天器间相对位置测量的数学模型。该测量方法在直角坐标系下用Hill方程建立编队航天器相对运动模型，得出航天器相对运动轨迹的解析解，在极坐标系下建立航天器间相对位置的激光跟踪测量模型，将激光跟踪测量系统的测量值转换到直角坐标系，对转换误差进行去偏差补偿，利用卡尔曼滤波方法进行数据处理，以提高航天器间的相对位置测量精度。仿真结果表明，若对于测距精度为5厘米，测角精度为0．1度的激光跟踪测量系统，采用去偏差转换测量卡尔曼滤波方法，航天器空间相对位置精度可达到厘米量级。     

一种基于一致性理论的航天器编队飞行协同控制方法

为提高航天器编队飞行控制的协同性,研究了基于一致性理论的航天器编 队飞行协同控制方法。首先,讨论了航天器编队飞行中的一致性问题;其次,建立了航天器 编队飞行六自由度动力学模型;然后,应用一致性理论设计了非线性控制律,通过仿真验证 了控制方法有效,并且可以适用于动态的航天器编队飞行通信拓扑结构。
     

面向空间目标相对轨道确定的编队优化方法

针对提高空间目标相对轨道确定精度的问题，研究了在主航天器轨道运动受限时，通过设计和优化辅航天器相对轨道要素的航天器编队优化方法。首先，介绍了基于扩展卡尔曼滤波的双视线测量相对轨道确定方法；之后，通过研究双视线测量下的空间目标定位误差变化规律，得到了减小定位误差的角度条件；然后，通过分析该角度条件和辅航天器相对轨道要素的关系，设计并采用遗传算法优化了辅航天器相对轨道；最后，数学仿真结果表明，设计的编队可保证目标相对位置估计误差收敛，优化后的编队可使目标相对位置估计误差减小至0.3 km且不超过1.2 km。     

航天器编队飞行相对运动轨迹优化方法综述

针对航天器编队飞行过程中存在的轨迹优化问题,首先系统综述其多种相对运动动力学模型,分类比较模型的特点,并考虑航天器运动环境和不同求解方法阐述编队轨迹优化问题。在建立数学优化模型的基础上描述该问题的一般形式,提出了航天器编队飞行相对运动轨迹优化问题的难点。综述航天器编队飞行构建或重构任务中轨迹优化问题的求解方法,总结分析其优缺点,并介绍常用的数学求解工具。最后,提出值得深入研究的关键技术需求和航天器编队飞行未来发展的重要方向。     

分布式空间系统和航天器编队飞行辨析——兼谈航天器知识编队和精确编队飞行应用实例

小卫星技术的迅速发展和应用,为空间应用开辟了许多新领域,同时出现了很多新概念和新名词。文章对分布式卫星系统、编队飞行、星座、星群以及空间敏感器网等概念及其相互之间的区别进行了系统论述,也介绍了航天器知识编队和精确编队飞行的应用实例。     

编队飞行航天器测量通信一体化系统的交互链路技术

实现航天编队飞行需要有测量系统测定队列成员的相对位置、姿态和时间,还需要通信系统在编队成员间交换工程数据和科学实验数据。测量系统和通信系统都是实现航天编队飞行的核心技术。基于卫星导航技术,将卫星导航接收机、伪卫星发射机、伪码扩频序列通信和测距链路及相关数据处理模块组合,组成射频收发器,可以构成完成上述功能的测量和通信一体化系统。文中根据国外已有的实践经验阐明射频收发器设计中的交互链路设计技术,包括关于链路拓扑的考虑是采用星形网络还是网形网络;采用相控阵波束形成、分路多路径接收和多用户检测技术;采用半双工码分多址的多路传输体制和打包的信号结构;既可用兼用GPS和交互链路的相对导航,也可只用交互链路测距实现相对定位导航;在编队内外的星间通信乃至星地通信中引入移动IP功能等。航天器本身必须具备适应空间环境的耐辐射能力。     

航天器编队飞行动力学模型和精度分析

航天器编队飞行动力学是基于相对轨道动力学方程的研究。文章首先采用动力学和运动学两种方法,推导出相对轨道动力学精确模型。根据是否存在假设和不同假设条件,给出编队飞行四种动力学模型,然后比较这些模型的优缺点,最后以数学仿真结果,对各种动力学模型精度进行分析比较。     

航天员舱外相对航天器运动轨迹摄动研究

用轨道根数描述载人航天器运动,在其轨道坐标系(LVLH)中,建立了含地球J2项引力和大气阻力摄动加速度的航天员质心相对航天器的运动模型。在参考轨道存在小偏心率时,对基于圆参考轨道假设推导的航天器编队飞行的线性时变系统状态矩阵进行了修正。仿真结果表明:对偏心率为0.002的航天器轨道,修正后模型所得航天员相对轨迹摄动量在离舱300 s后达到0.8%,是修正前模型的5倍,但计算量增加不超过5%,更适于航天员舱外飞行和近距离编队飞行建模。     

控制受限的编队航天器鲁棒自适应控制

研究了考虑控制受限的编队航天器鲁棒自适应轨道跟踪控制问题。针对航天器编队飞行系统中控制受限、外部扰动和模型不确定性的情况,利用反步控制方法和指令滤波设计提出了一种鲁棒自适应控制策略。指令滤波器用于补偿控制受限对于控制器的影响,同时设计了自适应律对未知参数进行估计,并且利用Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的渐近稳定性。和滑模控制等传统鲁棒控制不同,所设计的鲁棒自适应控制器是连续的,更便于航天器编队飞行系统的实现。仿真结果表明所设计的控制器既能实现高精度的编队飞行跟踪控制,又能保证控制受限的要求。     

基于多智能体系统的多航天器编队分布式姿态协同控制

多航天器编队飞行在深空探测及协同对地观测等领域有着重要应用,而多航天器的姿态跟踪及协同控制技术作为其关键技术之一也引起了极大的关注。近年来,随着分布式人工智能技术的发展,多智能体系统(MASs)受到了航天器控制领域学者的关注并将其应用到多航天器编队控制中。本文回顾了多智能体系统协同控制及其在多航天器编队姿态协同控制中应用的研究进展。首先,从多航天器编队不同控制需求出发,分别从一致性跟踪控制、有限时间控制、事件驱动控制方面,回顾了多智能体系统协同控制问题的进展;其次,回顾了多航天器姿态协同控制在上述需求方面的研究进展,并基于多智能体系统的协同控制理论,提出了相应的分布式姿态协同控制策略。     

卫星编队飞行相对轨道的摄动研究综述

卫星在编队飞行过程中总受到各种摄动力的作用，由于轨道摄动直接影响卫星的寿命，研究卫星编队飞行相对轨道的摄动问题具有重要的意义。本文综述了国内外有关编队飞行卫星相对轨道摄动问题的研究方法以及进展，最后针对目前相对轨道摄动的研究现状，指出了进一步的研究方向。     

卫星编队飞行的地球扁率摄动分析

本文研究了地球扁率J2项摄动对卫星编队飞行的影响。首先，给出了编队飞行数学描述，推导了轨道根数和相对运动状态的关系式；然后，将卫星编队的受摄影响分解为整体摄动和相对摄动，分别得到了解析解，重点分析了相对摄动规律。研究结果对卫星编队的设计有一定的参考价值。     

基于四元数的航天器间相对姿态光学测量方法研究

提出了一种微型航天器间基于四元数的相对状态光学测量方法.首先介绍了测量系统结构,然后分析了利用四元数法解算航天器相对姿态的解算过程,最后通过仿真实验和实测试验验证了方法的正确性、实用性及可行性.该测量方法可直接用于航天器编队飞行及空间站交会对接过程、空间监视、目标拦截等应用领域中航天器间相对姿态测量.     

小卫星编队飞行关键技术及发展趋势分析

卫星编队飞行是空间技术发展的一个新领域.通过编队飞行可将多颗小卫星形成一颗大的"虚拟卫星",即空间任务的预定功能由编队中各个只担当单一功能的卫星分担,由此整个卫星群可实现强大的功能.实现卫星编队飞行需要保持和控制星群的编队构型,精确确定星间的相对位置和相对速度,即相对导航.卫星编队飞行的关键技术包括轨道设计、轨道演变及控制,星间链路、编队运行管理和测控,以及卫星的自主定位、定轨.叙述小卫星编队的基本原理、轨道构成和技术特征,分析实现编队飞行所需的关键技术,介绍各国编队飞行的现有计划及未来发展趋势.     

基于气浮台的编队飞行地面试验建模与鲁棒控制器设计

为分析验证卫星编队飞行涉及的相对导航、制导与控制以及星间通信等问题,搭建了编队飞行的地面试验系统,采用了一块3m×4.5m的气浮平台和具有两个平动自由度和一个转动自由度的卫星仿真器分别来模拟低阻力的空间环境和编队飞行的卫星,相对导航采用了视觉相机和室内GPS两种方案,星间通信则通过蓝牙进行模拟。推导了描述仿真器间相对运动的包含参数不确定性的动力学模型,并基于此模型设计了带极点配置的鲁棒H∞控制算法,通过姿态同步和构型保持等仿真实验重点对编队飞行的相对导航、星间通信和相对状态控制进行分析验证,对实际的编队任务具有一定的参考和指导意义。