基于小波分析的目标轨道机动自主检测方法

空间目标的轨道机动是与相对距离变化率的突变联系在一起的.测量值是通过星载激光雷达得到的目标的相对距离,特征量是采用微分平滑处理获得的相对距离变化率.由于测量噪声的影响,机动引起的特征量突变被淹没在噪声中.利用小波分析的多尺度分解,就能够把淹没在噪声中的特征量变化揭示出来.为了满足星上自主运算的要求,提出的机动检测方法就是基于对小波分解后信号的处理,通过对相关系数阈值的比较来检测特征量的突变.仿真结果验证了该检测方法的可行性和有效性.      

基于预报偏差的LEO航天器轨道异常检测

针对由轨道控制、大气环境、碰撞等因素造成的低轨(LEO)航天器轨道突变问题,提出了一种基于预报偏差的轨道异常检测方法。选择LEO轨道的半长轴和倾角作为特征轨道参数,利用SGP4模型长期项对目标的两行轨道要素(TLE)进行预报得到特征轨道参数的预报值,通过对特征轨道参数的编目数据和预报数据进行平滑后求差得到预报偏差序列,基于马氏距离对预报偏差数据的两个分量进行联合异常检测。对Terra卫星2010年的机动事件分析结果同NASA发布的其机动历史相吻合,表明该方法可以有效地检测航天器轨道异常的次数、时间和类型,可应用于空间目标的监视与空间态势的感知。     

非合作机动目标交会的相对位置控制

研究目标航天器存在机动的情况下追踪航天器与目标航天器的交会问题.只利用两航天器之间的相对位置测量信息,考虑目标机动、外部干扰以及状态耦合,提出一种改进的特征压缩方式并建立相应的解耦特征模型,基于该特征模型设计解耦的自适应控制方法实现追踪航天器与机动目标航天器的交会.仿真结果验证了算法的有效性,并表明其优于传统的PD控制方法.     

基于Neyman-Pearson准则的空间目标轨道机动检测方法

轨道机动检测是当前空间监视活动的重要需求之一。当卫星在脉冲小推力作用下发生轨道机动时，会引起目标卫星与伴飞卫星相对距离变化率的阶跃突变，由于测量噪声的存在，距离变化率的阶跃突变特征被淹没在测量噪声中，不容易被检测出来。针对该问题，提出了一种基于概率判决模型的轨道机动检测方法。该方法采用独立同分布高斯白噪声模型描述测量噪声，将距离变化率作为特征量用于变轨检测，把距离变化率的阶跃突变检测问题转化为概率判决问题，在虚警概率约束下，基于Neyman-Pearson准则求解序列数据的变轨判决门限，能够自适应地判断目标卫星是否发生轨道机动。通过不同幅度轨道机动下的仿真试验，验证了该方法的可行性与有效性。     

对空间多目标多次接近的轨道设计

基于单航天器对空间多目标单次接近轨道设计的研究结果, 讨论了单航天器对空间 多目标多次接近的轨道设计问题. 提出了接近指标用于设计能多次接近多个空间目标的航天器轨道;以二体接近轨道为基础, 给出了接近轨道解空间的求取方法; 利用三种轨道调整方法构造了三种复杂度不同的新解并产生算子, 分析了它们的解空间和最优解分布, 采用改进的模拟退火算法求解出最优接近轨道. 仿真实验验证了轨道设计算法的正确性.      

基于夏氏最小二乘的轨道控制力系数辨识

在航天器轨道捕获、轨道维持和空间目标碰撞规避中都需要进行航天器轨道机动。针对航天器轨道机动过程中推力器的推力系数为装订常数,没有根据在轨工作实际进行优化而导致出现较大误差的情况,对控制力拟合系数进行辨识,作为修正控制参数以补偿轨道控制误差的依据,提高轨道控制精度。统计分析在轨管理的典型航天器平台及其发动机的轨道控制历史数据,分析轨道控制理论和在轨控制数据拟合建立轨道控制经验模型,用当前可测量的系统输入和输出预测系统输出的未来演变,得到不同工作情况下实际轨道控制误差与控制参数及其他主要影响因素之间关系的经验公式,为轨道控制策略决策提供参考。选取轨道半长轴控制量300m以上和300m以下的两类近地卫星,对其轨道控制历史数据进行分析,经实际数据测试,采用夏氏法进行推力系数拟合后预测的速度变化量精度较高。该种计算方法利用了轨道控制历史数据,计算方法简单,提高了轨道控制速度增量的预测精度,对轨道控制实施具有参考意义。     

基于Frenet和改进人工势场的在轨规避路径自主规划

在轨道间机动的航天器规避空间目标，需兼顾沿转移轨道飞行的绝对运动和规避空间目标的相对运动，路径自主规划难度较大且目前国内外公开研究成果较少。针对上述问题，提出了一种将Frenet坐标系与改进人工势场相结合的在轨规避路径自主规划方法。首先，构建Frenet坐标系表述空间规避运动，解决了路径规划中航天器与既定转移轨道相对位置不易表述的难题，实现了空间规避运动的简便表示；其次，改进人工势场函数、调整势场作用区域，避免了传统人工势场法存在过早轨迹偏离以及局部震荡现象，实现了对空间目标的自主规避；最后，考虑规避安全、轨道保持、制动时效以及燃料消耗因素构建全局优化函数，能够满足不同任务的需求与偏好，实现了沿转移轨道飞行的最小偏移与快速恢复。算法比对与算例求解表明:所提方法应用优势明显，路径平滑、偏移量小，满足航天器规避空间目标的路径规划需求。      

轨道维持与调相的综合优化策略研究

在交会对接飞行任务设计研究中必须首先确定目标航天器的轨道设计策略,研究了一种将目标航天器轨道维持和调相两种任务进行综合优化的策略.轨道维持的任务是使得目标航天器轨道的形状和位置符合交会要求,调相的任务是使目标航天器在轨道中的初始相位角符合交会要求.在考虑了交会对接发射窗口、交会终端约束条件下,将目标航天器轨道设计问题转化为一个非线性规划问题,应用序列二次规划方法对其进行了求解.仿真计算表明,这种方法既能以较少变轨次数满足交会对接任务要求,又能节省燃料,为空间交会对接任务规划提供了重要参考.     

连续常值推力机动分析与应用

连续常值推力机动是空间飞行常用的轨道机动方式。其中,小推力适合于地球轨道航天器交会机动,而切向或周向推力以及较大的正径向推力可用于脱离地球引力场的逃逸飞行,执行星际交会使命。应用常推力作用下的质心运动方程,对机动推力的量值没有限制;在航天器交会应用中,对相对距离也无要求。这种方法可直接获得向径、轨道速度等参数随时间或极角(绕地心的转动角)的变化,便于分析轨道转移与逃逸运动,有助于飞行使命与运动轨迹的设计。特别是,若机动转移的初轨为圆轨道,在推力较小、飞行时间不长的情况下,应用量纲1形式的运动方程,可获得具有工程应用价值的近似解。     

航天器交会远程快速自主制导方法

针对近地近圆轨道航天器交会任务,设计了基于经典轨道要素的远程快速自主制导算法.对于任意初始纬度幅角偏差的远程导引,通过建立纬度幅角偏差与半长轴偏差的关系,将远程导引段分为初始轨道飞行、调相轨道飞行和调整轨道飞行3个阶段.初始轨道飞行进行轨道共面修正和调相机动;在调相轨道飞行期间,进行自然调相以及调相轨道到调整轨道的机动;调整轨道飞行阶段进行追踪航天器的远地点高度和近地点高度的修正,以及再次共面修正.所有变轨机动都以制导脉冲的形式给出,并都在轨道特殊点执行.精确轨道仿真验证了远程快速自主接近制导算法的可行性.     

脉冲推力轨道拦截可达性描述及求解方法

针对航天器单脉冲轨道拦截可达性分析问题,基于共面变轨、逆轨拦截假设,考虑能量、时间和交会角约束,提出了拦截航天器可拦截区和可发射区的概念。在航天器单脉冲空间可达范围的基础上,进一步考虑了目标轨道的约束,建立了目标轨道命中区的计算策略,对异面轨道交叉点为燃料最省点做出了解释。把拦截可达性相关的问题归纳为8个基本拦截问题,通过这8个问题的组合,描述了考虑能量、时间和交会角约束下拦截问题的可拦截区和可发射区的计算方法。采用圆轨道共面变轨、逆轨拦截场景进行了仿真验证,结果表明该方法能够快速有效地计算出约束条件下航天器的拦截可达范围,能够用于分析特定任务情况下的拦截可达性。     

Optimal guidance and collision avoidance for docking with the rotating target spacecraft

The guidance and control strategy for spacecraft rendezvous and docking are of vital importance, especially for a chaser spacecraft docking with a rotating target spacecraft. Approach guidance for docking maneuver in planar is studied in this paper. Approach maneuver includes two processes: optimal energy approach and the following flying-around approach. Flying-around approach method is presented to maintain a fixed relative distance and attitude for chaser spacecraft docking with target spacecraft. Due to the disadvantage of energy consumption and initial velocity condition, optimal energy guidance is presented and can be used for providing an initial state of flying-around approach process. The analytical expression of optimal energy guidance is obtained based on the Pontryagin minimum principle which can be used in real time. A couple of solar panels on the target spacecraft are considered as obstacles during proximity maneuvers, so secure docking region is discussed. A two-phase optimal guidance method is adopted for collision avoidance with solar panels. Simulation demonstrates that the closed-loop optimal energy guidance satisfies the ending docking constraints, avoids collision with time-varying rotating target, and provides the initial velocity conditions of flying-around approach maneuver. Flying-around approach maneuver can maintain fixed relative position and attitude for docking.     

遗传算法在星座多星接近轨道优化中的应用

以三颗非共轨的Walker星座卫星为研究对象, 对航天器无需变轨与其接近的可能性进行研究. 将Lambert方法得到的航天器轨道作为初始轨道, 利用遗传算法对初始轨道进行优化. 对初始轨道在参考时刻位置和速度的改变量进行编码,形成对应的种群. 以航天器与星座卫星之间的最近距离为适应度函数, 通过种群的繁殖得到优化结果. 结合仿真算例, 分析了最小二乘算法和遗传算法在轨道优化中的优劣以及接近过程中轨道摄动的影响. 结果表明, 遗传算法适用于所提出的轨道改进问题. 研究结果可为单航天器无需变轨对星座多星接近问题提供理论依据.      

主带小行星采样返回任务中的离子电推进应用方案

由于离子电推进的高比冲特性,采用它执行小行星探测器巡航阶段轨道机动任务时,将使探测器在同样的有效载荷下的发射重量大大减轻。针对我国规划中的主带小行星采样返回任务,调研了国外离子电推进在深空探测任务中的应用情况,在借鉴国外成功经验和任务需求分析的基础上,设计了主带小行星探测器离子电推进系统方案和应用策略,计算了在目前离子推力器寿命水平下,既定探测任务对离子电推进推力、比冲、推进剂量以及功耗需求。研究表明,目前研制的离子推力器可以满足规划中的主带小行星探测任务需求。研究成果对探测器的方案设计有参考价值。     

基于统计特征空间提取和支持向量机的极暗弱小天体检测方法

小天体检测是小天体防御和预警的前提。针对小天体目标信噪比低、检测难的问题,提出了基于统计特征空间提取和支持向量机（SVM）的极暗弱小天体检测方法。区别于传统方法基于时间或空间上目标的能量和背景噪声能量的瞬时能量差别或是瞬时能量差别的累积,对目标进行检测。该方法不依赖目标能量大小,提取运动目标穿过背景时对稳定性产生的扰动来反演运动目标。将输入的图像序列转化为单像元时序信号,划分时序窗口提取统计特征,关联形成统计特征空间,利用更高维度的变化特性检测目标变化。通过SVM将暗弱小天体检测问题转化为目标与背景的二分类问题,避开了较难解决的阈值分割问题同时具有更好的泛化性能。利用真实数据与其他经典方法进行对比分析,使得分类准确率提高4.02%。该方法能够适应更低的信噪比,在极低信噪比下仍表现出稳定的检测性能。     

一种空间目标RCS序列的姿态异常检测方法

准确、快速判断空间目标姿态运动模式异常,对于空间目标监测具有重要意义。针对空间目标雷达散射截面 (Radar Cross Section,RCS)序列,提出一种基于小波包分解（Wavelet Packet Decomposition,WPD）能量谱特征的无监督机器学习异常检测方法,并采用单类支持向量机(One Class Support Vector Machine,OCSVM)验证异常检测效果。设置了几种典型异常场景进行仿真分析,试验结果表明,该方法能有效检测出三轴稳定类空间目标发生失稳旋转的姿态异常。相比于传统统计参数特征、小波变换统计参数特征及能量特征的姿态判别方法,具有检测概率高、鲁棒性好的特点。     

一种适用于高轨空间的GNSS矢量跟踪方案设计

高轨空间中全球卫星导航系统（GNSS）信号可用性严重变差，对GNSS接收机的跟踪性能提出更高要求。利用GNSS信号传播链路模型分析了高轨空间GNSS信号特点，对比了标量跟踪和矢量跟踪这2类典型跟踪环路在高轨空间的适用性，进而设计了一种适用于高轨空间的GNSS矢量跟踪方案。该方案通过估计载噪比确定量测噪声方差阵，以对各通道量测信息进行加权处理来获得高精度的导航参数；并根据高轨航天器的动态性能确定过程噪声方差阵，利用轨道动力学模型对导航参数进行一步预测，从而实现了对各通道信号跟踪参数的准确预测及联合跟踪。仿真验证表明:所设计的跟踪方案可实现高轨空间中强信号对弱信号的辅助跟踪，从而提高了高轨空间中弱信号的跟踪性能及可用性，并对中断信号具有一定的桥接能力。