地球扰动大气模型

本文介绍了地球扰动大气模型和建立该模型的方法。文中详细描述了该模型中,密度变化的各单个分量和风场变化的各单个分量,并给出了它们各自的计算公式。本大气扰动模型中包含了137个大气扰动状态方案,可供返回轨道计算、救生轨道计算和返回控制设计计算分别选用。     

利用有限元方法逼近飞行器轨道主动段扰动引力

为了克服引力位系数模型计算飞行器轨道主动段扰动引力所存在的计算量大，并且难以进行实时计算的缺点，提出利用有限元内插的方法对主动段扰动引力进行逼近。根据有限元分析中区域剖分插值的原理，采用了对飞行器轨道周围有限范围的空间区域进行有限元剖分的方式，计算出各剖分单元每个顶点处的扰动引力，然后利用剖分单元各顶点的扰动引力分量内插出飞行器轨道点对应的扰动引力分量值。计算过程和结果表明，这种方法能够快速、精确可靠地逼近飞行器轨道主动段扰动引力，满足了有关文献中所提出的要求。     

地磁扰动期间低轨目标轨道预报的误差修正

针对地磁扰动期间大气密度变化造成的低轨目标较大的轨道预报误差,提出一种根据POES卫星观测的极光能量注入数据改进短期轨道预报的方法。分析表明CHAMP卫星的沿迹大气密度及轨道衰减与极光能量注入具有较好的相关性。通过线性回归方法,建立轨道半长轴衰减及阻力调制系数的修正公式,并使用修正后的阻力调制系数取代两行元(TLE)中的该系数带入SGP4模型进行位置预报。该方案考虑了外推过程中地磁扰动引起的大气密度响应,能更准确地反映外推过程中大气阻力对轨道的影响。将其应用到2008年CHAMP卫星和国际空间站的轨道预报中,结果表明,半长轴和位置的预报误差可分别降低50%和30%左右。进一步对不同年份、不同轨道高度的目标进行了预报误差修正的分析,验证了该方法的普适性。     

直接再入大气的月球返回轨道设计研究

直接再入大气的月球返回轨道是月球采样返回任务普遍采用的飞行方案。文章将月-地转移轨道设计与再入大气仿真相结合,通过两级修正策略和落点匹配使月球返回轨道既满足再入界面约束又满足再入点地理位置约束。两条分别采用弹道式和弹道-升力式再入的月球返回轨道的计算结果表明,此方法是有效的。     

高层大所模型对空间站轨道漂移和寿命的影响分析

本文以轨道摄动分析方法一阶理论为基础，其中大气阻力摄动采用数值积分方法，给出一种可利用各种大气模型进行轨道摄动分析的计算方法，并利用三种高层大气模型（ＣＩＲＡ－７２，ＣＩＲＡ－８６和ＤＴＭ）和三个太阳活动水平（Ｆ１０．７＝１００，１５０和２００）分析比较了大气阻力摄动对高度为４００ｋｍ的空间站轨道漂移和寿命的影响，以及估算修正轨道漂移所需的能量。给出的定量分析结果将为空间站或航天飞行器的轨道设计和     

飞船返回舱压力应急返回再入过程舱内大气参数分析

在引入五个假设条件的基础上，通过分析压力应急返回再入过程座舱复压的物理模型，建立了压力应急返回再入过程中座舱大气环境参数变化的亚临界流复压和超临界流复压数学模型。并利用某航天器的标准返回弹道参数，对该模型进行了验算。地面模拟试验数据与利用该模型进行的理论计算数据误差小于3％，满足工程精度要求。     

环月飞行器返回轨道设计与优化

针对传统月地返回轨道设计方法在从初始轨道直接转移的局限性，提出一种基于Lambert问题的月地转移轨道设计方法。该方法重新选取了轨道约束参数，并在笛卡尔坐标系下建立了返回轨道动力学模型，并基于该模型全面分析了返回轨道关于约束参数的变化特性。此外，针对带有约束条件的返回轨道优化设计问题，提出了快速收敛的函数构造法，并给出了有效的目标函数形式。以某一在轨环月飞行器的轨道参数作为初始轨道进行返回轨道计算，结果验证了所提出返回轨道设计方法以及函数构造法的有效性。     

高层大气模型对空间站轨道漂移和寿命的影响分析

本文以轨道摄动分析方法一阶理论为基础，其中大气阻力摄动采用数值积分方法，给出一种可利用各种大气模型进行轨道摄动分析的计算方法，并利用三种高层大气模型（ＣＩＲＡ—７２，ＣＩＲＡ—８６和ＤＴＭ）和三个太阳活动水平（Ｆ１０．７＝１００，１５０和２００）分析比较了大气阻力振动对高度为４００ｋｍ的空间站轨道漂移和寿命的影响，以及估算修正轨道漂移所需的能量。给出的定量分析结果将为空间站或航天飞行器的轨道设计和能量估算提供依据。     

大气空间和季节性气候特征对RLV升力式再入飞行的影响

为提升重复使用运载器（RLV）竞争力精细化设计边界,在融合3颗卫星载荷采集的大气数据基础上,采用大/小尺度扰动分别建模的方法,建立了沿RLV再入飞行轨道的全域参考大气模型,开展了大气密度空间性和季节性（1月、4月、7月和10月）气候变化对跟踪RLV高纬度升力式再入标准轨道的影响分析。结果显示季节性和轨道空间性变化带来的大气密度偏差特性和散布特性,会强烈影响跟踪标准轨道的终端分布特征。这表明引入大气参考模型可以提升RLV性能,降低运行成本。     

气动引力辅助的火星自由返回轨道设计方法

为更准确地描述大气飞行过程，提出一种三段式大气飞行模型，将大气飞行段分为下降段、平飞段和上升段，使用大气飞行角和航迹角描述飞行过程，并建立了相应的计算模型。对“地球-火星-地球”、“地球-火星-金星-地球”和“地球-金星-火星-地球”自由返回轨道序列的优化结果表明，三段式模型可以准确描述气动引力辅助过程，同时气动引力辅助技术可以有效提升自由返回轨道性能，如减少转移时间，降低燃料消耗等。     

碰撞风险评估中的空间环境激励图方法

因航天器物理特征、空间环境扰动变化、预报技术和大气模型性能等既有不确定因素的存在，空间目标碰撞概率等与轨道预报相关的评估工作存在模糊度问题，无法准确描述碰撞风险水平。文章基于碰撞概率极值，简化气动力误差模型，量化计算轨道预报相关事务的边界；提出空间环境激励图和3σ区的概念，并给出具体实施方法以及空间碎片碰撞预警、空间物体陨落预报的计算示例。计算结果表明，该方法能较好应对轨道预报相关事务中的模糊度问题，可为相关航天工程实践和决策提供参考。     

自由返回轨道的P平面参数快速设计方法

针对自由返回轨道求解过程中地心轨道类型变化造成的B平面参数方法计算失败问题,提出一种基于P平面参数的自由返回轨道快速设计方法。首先,基于轨道半通径参数的普适性,给出了不同轨道类型的P平面参数定义,建立了以P平面参数为求解目标量的自由返回轨道求解模型。其次,给出了基于P平面参数的自由返回轨道快速设计方法,在构建的瞬时地月惯性系下,以平面双二体自由返回轨道作为初值,实现了高精度力模型下的自由返回轨道快速求解。对8种构型自由返回轨道的设计结果表明,P平面参数具有类似于B平面参数的大收敛域,且有效解决了轨道类型变化对计算的影响,可直接应用于中国后续月球探测任务轨道设计。     

分布式卫星轨道构形的大气摄动分析及修正方法

在低轨道运行的分布式卫星受大气摄动的影响,其轨道构形很快遭到破坏,环绕卫星的相对运动轨迹中心不断发生漂移。本研究的目的在于建立一种降低大气摄动对分布式卫星轨道构形影响的补偿方法,以使分布式卫星的轨道构形能够更好地自然维持。研究基于考虑高度变化和太阳周日变化的大气密度模型,得出分布式卫星不同初始相位环绕卫星的长半轴摄动方程。并提出一种补偿大气摄动影响的长半轴修正方法。仿真结果显示,采用此大气摄动补偿方法能够在给定时间内大大降低大气摄动的影响,从而显著提高分布式卫星轨道构形的自然维持能力。     

亚毫米波大气传输计算及分析

主要研究了在近亚毫米波段的大气传输特性，通过分析红外区和毫米波区的大气２模型，给出了亚毫米波段的大气传输模型参及加权项的表达形式。在吸收模型的理论的基础上，推导了以宏观气象条件为参变量的解析表达式，并由实验数据加权后的模型进行了验证分析，加权模型与实验数据基本吻合。在散射模型中，提出了以粒子的统计分布均值代替一般的密度分布，从而提高了计算精度。分别推导了Ｍｉｅ和Ｒａｙｌｅｉｇｈ散射系数求解的数学表     

基于双二体假设的载人登月中止轨道特性分析

中止能力是载人登月出现故障时保障航天员安全返回地球的基础。针对混合轨道的中止需求,建立直接中止、多脉冲中止和借助自由返回轨道中止等三种中止方式的轨道计算模型。利用该模型,主要分析了中止轨道在能量需求（用ΔV表征）和返回飞行时间等方面的特性。研究结果表明借助自由返回轨道中止所需能量只相当于最短返回时间直接中止的约1%~5%,但其返回飞行时间在初始段约为最短返回时间的7倍,并随地心距的增加而减小,直至与最短返回时间相当;多脉冲中止在能量需求和返回飞行时间方面均介于两者之间。仿真实例验证了三种中止轨道的有效性。     

基于实测数据的大气密度反演方法及应用研究

针对中长期的平均大气密度反演问题，以我国典型遥感卫星运行轨道数据作为基础，采用实测数据反演大气密度并对MSIS00模型进行局部修正，并将修正后的模型应用于遥感卫星推进剂的预算，仿真结果表明：得到的修正大气模型具有较高的准确度，且采用修正后的大气模型得到的轨道维持推进剂消耗比修正前减少了近35%，达到了在保障卫星安全运行基础上最大限度降低整星质量的目的。研究结果还可用于我国未来航天器的高精度轨道预报、推进剂预算、碰撞规避等任务。     

J77大气模型的重大修订

在全面地研究了原来的Ｊａｃｃｈｉａ，１９７７大气模型之气，完成了对该模型的两次重大修订，这两个修订都是关于地磁活动引起的大气密度的变化，它们是在Ｊ７７发表之后不久，由Ｊａｃｃｈｉａ本人所做的。为此作者更新了Ｊ７７模型的程序版本。并对每一步修订进行了详细的数值试验。     

抗大气湍流近红外计算鬼成像

为解决大气湍流造成成像质量严重下降的问题,提出一种抗大气湍流近红外计算鬼成像方法。计算鬼成像利用调制光场和物光总光强进行强度关联来获取图像信息,调制光场是决定成像质量的一个关键。利用湍流随时间和空间变化,将其作为计算鬼成像中的随机调制光场,通过功率谱反演法模拟强、中、弱三种大气湍流引起的相位扰动影响,并加载到光传播链路中完成抗大气湍流近红外鬼成像仿真分析。利用近红外相机作为探测器搭建计算鬼成像实验系统,并进行外场实验对提出的方法进行实验验证。仿真和实验结果表明,仿真三种不同强度湍流情况和外场条件下均能重构出目标物体的像,仿真图像信噪比分别为19.4 dB、24.2 dB和64.58 dB,表明了计算关联成像在近红外波段抗大气湍流的有效性。该方法结构简单,易于实现,可为近红外抗大气湍流探测提供一种技术途径。     

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。     

基于J2项和大气阻力摄动的卫星编队保持方法研究

研究J2摄动和大气阻力对低轨编队卫星相对位置的影响,在此基础上给出一种编队保 持方案。文中定量分析了J2摄动对编队卫星三轴相对位置的影响,给出了大气阻力对编队 卫 星相对轨道要素影响表达式。在同时考虑两种摄动力前提下,推导给出了x方向受摄动 的漂移量Δx与编队卫星轨道长半轴之差Δa的周期变化量之间的解析关系式,基于 该关系式,设计了单边极限环形式的卫星长期编队保持控制方案。最后通过数学仿真验证了 该方案的可靠性,仿真结果与理论分析相符。该控制方案在计算控制量时只需知道编队卫星 的轨道长半轴之差,容易实现,为工程实践提供依据。