交会对接近距离导引段的轨迹安全

建立了一套完整的交会对接近距离导引段轨迹安全的描述和计算方法,这种方法将交会对接近距离导引段的轨迹安全转化为追踪器相对位置误差的3σ椭球和目标器控制区域椭球的碰撞分析问题。描述了通过定义目标器的控制区域来提高交会对接安全性的基本思想,然后基于CW方程推导了相对状态和协方差矩阵的传播公式,并利用传播后的协方差矩阵推导了相对位置误差3σ椭球的表示公式。研究了任意两个椭球的接近分析问题,首先研究了点和椭球的最近距离计算问题,然后将这一结果应用到一个迭代过程来计算两个椭球之间的最近距离。最后,交会对接接近段的一个算例说明了本文所建立的轨迹安全计算方法的正确性。     

非线性相对运动的飞行器碰撞概率研究

发展了一种非线性相对运动情况下的飞行器碰撞概率描述和计算方法.采用拟最大瞬时碰撞概率和总碰撞概率两个主要指标来定量描述飞行器碰撞的危险性,并针对这两个指标发展了相应的计算方法.对于拟最大瞬时碰撞概率的计算,首先需要在相对轨迹上寻找最小相对距离或最大概率密度的点,然后在这个点上计算拟最大瞬时碰撞概率.对于总碰撞概率的计算,由于总碰撞概率的增量可以表示成一个时间的函数,因此总碰撞概率的计算就是一个在时间域上的积分.所建立的这种描述和计算方法适用于相对速度和误差协方差矩阵随时间任意变化的情况.数值算例表明所提出的指标比单纯采用总碰撞概率能够更好的描述飞行器的碰撞危险性,并且碰撞概率的计算方法和线性相对运动情况下的计算方法是兼容的.     

非线性相对运动的飞行器碰撞概率研究

发展了一种非线性相对运动情况下的飞行器碰撞概率描述和计算方法。采用拟最大瞬时碰撞概率和总碰撞概率两个主要指标来定量描述飞行器碰撞的危险性，并针对这两个指标发展了相应的计算方法。对于拟最大瞬时碰撞概率的计算，首先需要在相对轨迹上寻找最小相对距离或最大概率密度的点，然后在这个点上计算拟最大瞬时碰撞概率。对于总碰撞概率的计算，由于总碰撞概率的增量可以表示成一个时间的函数，因此总碰撞概率的计算就是一个在时间域上的积分。所建立的这种描述和计算方法适用于相对速度和误差协方差矩阵随时间任意变化的情况。数值算例表明所提出的指标比单纯采用总碰撞概率能够更好的描述飞行器的碰撞危险性，并且碰撞概率的计算方法和线性相对运动情况下的计算方法是兼容的。     

空间交会轨迹安全性定量评价指标研究

针对当前交会轨迹安全分析缺乏有效的定量评价方法,研究提出了两种考虑实际交会过程导航偏差和控制偏差的安全性定量评价指标,分别是交会过程中任意时刻失效后追踪器的位置误差分布3σ椭球与目标器控制区域的最小距离和两个飞行器的最大瞬时碰撞概率。研究了这两个指标的快速简化计算方法;并基于协方差分析描述函数法(CADET),建立了非线性交会下考虑导航偏差和控制偏差的相对状态及其协方差矩阵的传播模型。通过两个仿真算例验证了两个指标的合理性、快速性和准确性,并且可适应于在线轨迹安全性分析和一般情况下的线性和非线性交会安全轨迹设计。
     

基于交会雷达测量的相对导航滤波器

以两飞行器自主交会、绕飞与最终逼近为背景 ,研究基于交会雷达的自主相对导航方法。基于间接测量量设计了扩展Kalman滤波器 ,并设计了具有自调整功能的测量误差协方差矩阵R。数学仿真证明了该方法的有效性     

基于显式表达式的空间目标最大碰撞概率分析

最大碰撞概率的计算在空间目标碰撞风险评估中具有重要意义。基于碰撞概率的显式 表达式,利用一元函数和二元函数求极值的方法分别讨论了目标误差椭球形状固定和不定两 种情况下最大碰撞概率的计算方法,得到了两种情况下最大碰撞概率的表达式。对于误差椭 球形状固定的情况得到了碰撞概率最大时两目标位置协方差的取值,对于误差椭球不定情况 得到了碰撞概率最大时径向联合方差的取值和水平面内联合方差所满足的关系。分析了最大 碰撞概率的影响因素,讨论了水平面内误差方差的耦合特性。对今年二月发生的美俄卫星碰 撞事件进行了分析,得到误差椭球任意形状时最大碰撞概率为1.864E-3。
     

基于碰撞概率的交会对接最优碰撞规避机动

发展了一种求解交会对接过程中最优碰撞规避机动的方法,可以在保证碰撞概率降低到安全值的前提下得到最优的避撞机动冲量。这种方法采用机动方向和机动大小分步求解的策略来计算机动冲量。机动方向通过求碰撞概率对于机动冲量的梯度得到,机动大小通过求解一个非线性方程得到。最后,采用这种方法针对交会对接中常用的径向冲量V-ｂａｒ转移轨迹进行了碰撞规避机动计算,计算结果表明本文的方法能够满足交会对接碰撞分析的需求。     

航天飞行器交会对接段的姿态控制四元数法

本文研究利用四元数作为误差信号进行航天飞行器姿态控制的控制规律,应用Pontrgagin极小原理导出了喷咀最优控制开关曲线,所得结果不仅可用于交会对接段也适用于航天飞行器上升段和返回段的姿态控制。     

追踪椭圆轨道目标Hill制导及其误差分析

针对椭圆轨道目标的飞行器近距离交会问题,研究了追踪任意椭圆轨道目标的Hill制导方法.从状态转移矩阵出发推导出追踪椭圆轨道目标的Hill制导表达式,然后推导出连续常值推力作用下系统状态的解析表达式,在此基础上分析了Hill制导过程中线性化误差和J2摄动误差,通过误差项进行补偿,并给出了Hill制导改进算法.仿真分析表明椭圆轨道Hill制导是可行的,且其改进算法能进一步提高制导精度.     

碰撞概率对轨道误差和接近几何条件的灵敏度分析

基于显式表达式对碰撞概率的灵敏度进行解析分析,给出其对接近距离的RSW分量、轨道误差、接近角度和目标大小的两类灵敏度（绝对灵敏度和相对灵敏度）。以美俄卫星碰撞事件为例进行计算和分析,得到灵敏度的变化曲线和数值。该解析方法可以克服数值分析方法中普遍存在的使用不便、计算量大、精度不高等问题。     

空间目标碰撞概率的等效矩形域快速算法

针对线性相对运动假设下的碰撞概率计算问题，提出了等效矩形域方法。利用该方法将概率积分计算进行近似处理，推导出概率密度积分的解析表达式。针对空间目标误差椭球形状固定的情况，给出了最大碰撞概率的计算方法。对目标在交会时刻相距较远和接近碰撞的情况进行了碰撞概率以及最大碰撞概率计算。通过将计算结果与空间压缩无穷级数法的对比，验证了等效矩形域方法近似计算碰撞概率积分的可靠性，同时对于不同的碰撞概率计算情况，等效矩形域方法显示出更高精确度和更好的估计偏差稳定性。     

编队卫星碰撞规避方法研究

对编队卫星碰撞规避方法进行了研究。通过递推编队卫星的初始状态协方差阵,将碰撞概率密度函数在危险区域积分获得编队卫星的碰撞概率。当碰撞概率大于安全阈值时,向卫星施加最小脉冲速度修正量Δv,在垂直于终止时刻相对速度的平面机动一定距离以降低碰撞概率。仿真结果表明:用计算的碰撞概率能较好地预测编队卫星的潜在碰撞危险,所选机动策略有效。     

An information fusion algorithm for integrated autonomous orbit determination of navigation satellites

This paper focuses on the information fusion problem of integrated autonomous orbit determination using the observations from inter-satellite-link (ISL), X-ray pulsars and star sensors. A step Kalman filter structure is proposed to solve the information fusion problem of multiple subsystems that have greatly different filtering precision. The subsystems are grouped according to their measurement accuracy and the state parameters and covariance matrix of a group can be calculated using the federated filter structure and propagated to the next group step-by-step. Simulation results show that the mean user range error (URE) of the constellation will be less than 1.5 m in 60 days using the step Kalman filter structure for information fusion. And it has better performance than the federated structure in dealing with information fusion of the astronomical observations and the ISL ranging measurements in integrated autonomous orbit determination.     

基于测距观测的静地卫星定轨精度分析

在卫星动力法定轨的协方差分析基础上,提出了一种针对地球静止轨道(GEO)卫星的简化定轨精度分析方法。根据GEO卫星的线性化状态转移方程,通过设定地面跟踪网坐标和卫星星下点经度计算叠加矩阵,由观测弧长和采样间隔直接计算定轨精度评定公式中的主要部分。公式扩展后,能比较各种系统误差源对定轨精度的影响,并将影响较大的作为附加参数纳入估计过程并重新评价定轨精度。用该法对10 m定轨精度的测距跟踪网优化设计和测距偏差对定轨精度的影响特性进行分析的结果表明,测量系统中的系统性误差可能以近20的放大倍率传播到卫星沿迹方向和法向,且不能通过自校准测距常值偏差提高定轨精度。     

矢量观测确定卫星姿态的预测粒子滤波算法

在矢量观测的基础上,针对单独的星敏感器定姿,提出了一种将粒子滤波(PF)和预测滤波相结合的姿态确定算法,通过设计粒子初始化,结合重要性采样、重采样和规则化等手段,成功地将姿态四元数作为状态粒子进行更新和传递,避免了状态方程的线性化和协方差矩阵的计算;利用预测滤波算法估计模型误差和姿态角速度,在保证滤波精度的同时,有效降低了粒子滤波器的维数.实验在某对地观测通用小卫星平台上进行,选取卫星自由飞行状态和飞轮控制对地稳定模式,分别对滤波器进行了仿真,实验结果验证了该算法对本质非线性、非高斯的卫星姿态估计问题具有快速的收敛性能和良好的稳定精度.该方法还为粒子滤波器的设计和无角速度敏感器测量的飞行器姿态确定提供了借鉴.     

面向高超声速飞行器双重不确定性的自适应状态估计

将高超声速飞行器双重不确定性因素建模为未知干扰输入项，针对状态演化方程和量测方程含有不同未知干扰输入的高超声速飞行器控制系统状态估计问题开展研究，提出一种基于自适应方差极小化的递推状态估计器(Adaptive variance minimization based Recursive Estimator, AVMRE)。首先建立了状态估计递推滤波器模型，实现滤波误差中的量测未知干扰解耦，之后引入自适应调整因子刻画状态未知干扰并推导了最小上界估计误差协方差矩阵，最后，基于最小方差估计准则设计了滤波器中的量测增益反馈矩阵。以外部突风和传感器故障为例，受内外部双重不确定性因素影响下的高超声速飞行器仿真实验验证了本文算法的有效性，与相关算法的仿真对比反映了本文算法的优越性。     

Collision Probabilities for Keplerian Orbits

We present a new derivation of the probability of collisions between spherical satellites occupying Keplerian orbits. The equations follow from the central concept of the instantaneous collision rate, an expression that describes the occurrence of collisions by using a Dirac -function. The derivation proceeds by showing how this instantaneous collision rate can be averaged over orbital mean anomaly angles and, additionally, over orbital precession angles to generate expressions appropriate for intermediate and long time scales. Collision rates averaged over mean anomalies tend to be non-zero during relatively brief collision seasons, when the peak collision probability may exceed the long-term average by several orders of magnitude. Derived precession-angle averages have a functional form similar but not identical to the collision probability expression derived using the spatial density approach of Kessler (Icarus, 48: 39–48, 1981), and the two methods have been found to yield numerical results to within 1% for all cases examined.     

自适应渐消EKF方法及其在卫星跟踪中的应用

针对在系统不能确切建模或模型误差随时间改变等场合下,传统扩展卡尔曼滤波方法及其改进算法估计误差较大甚至引起滤波发散等问题,将基于新息序列对状态噪声协方差矩阵实时估计的方法引入到渐消EKF中,提出了一种自适应渐消扩展卡尔曼滤波方法,推导了相关公式并详细给出了新方法的计算流程。采用单星对卫星仅测角被动定轨跟踪的例子对算法性能进行了对比分析。仿真结果表明,与传统EKF方法及其改进算法相比,该方法在估计精度、滤波收敛速度以及对初始状态误差的适应性等方面,显著提高了非线性滤波器的性能。