星座碰撞规避的迭代学习构型保持方法CSCD

针对低轨卫星星座运行中地球引力摄动的周期特性,基于迭代学习控制(ILC)方法,提出了星座碰撞规避的迭代学习构型保持方法。该方法由反馈控制和ILC两部分构成,分别抑制卫星运行过程中的非周期摄动和周期摄动对构型保持精度的影响,进而在地球非球形引力摄动未知条件下,通过相对构型的精确保持实现对星座卫星碰撞的有效规避。仿真结果表明,在地球J摄动影响下,与传统反馈控制相比,ILC方法以更小的控制输入实现了轨道保持精度的显著提升,进而在星座卫星轨道高度相近的情形下显著降低了碰撞风险,且控制器可在保证收敛性能的前提下,实现启动时间的灵活选择。     

摄动对编队飞行星座相对构型的影响分析

在近圆轨道编队飞行的假设条件下，根据动力学关系推导出了环绕卫星相对参考卫星的运动学简化模型，并以此简化模型为基础，分别研究了大气阻力摄动、日月引力摄动、太阳光压摄动和地球扁率摄动对编队飞行星座的构型影响，着重分析了地球扁率摄动周期项和长期项对构型的影响，并以此对编队轨道设计提出建议。     

环火探测器非球形引力摄动运动的频率分析方法

环火探测器的摄动分析解对于分析探测器轨道运动规律以及星载计算具有比较重要的意义。针对火星非球形引力摄动影响下环火探测器的运动,采用频率分析方法,对环火探测器轨道运动进行仿真,得到了与KAM理论一致的结果,在火星非球形引力摄动作用下的环火探测器轨道位于一个不变环面,可由3个角变量的频率描述。利用该方法,采用数值方法构建轨道运动的分析表达式,通过与数值积分结果的比对,证明该分析表达式具有较好的精度,适合长时间的轨道外推,可以满足航天任务的星载应用需求。该方法不仅可以给出环火探测器在任意时刻的轨道状态量,同时可以较高精度地确定3个角变量的变化率,反映一定的轨道变化规律。     

中间轨道实用化的进一步探讨

对于受摄二体问题,通常都是处理成一个变化椭圆轨道问题。而对于强摄动情况,椭圆变化太快,人们希望能找到另一种更接近真实运动的所谓中间轨道来代替椭圆轨道。特别针对一些环绕大行星(包括地球)或小行星运行的低轨卫星(探测器),因中心天体的扁率影响较大,给出了几类中间轨道。如Vinti型中间轨道,它可完整地包含扁率项的摄动影响。但它毕竟不能完全反映中心天体的非球形引力作用,在此基础上再去求各种剩余摄动是否简单,人们作了一些有益的探讨。本文就是在此背景下对Vinti型中间轨道的实用化作进一步的深入探讨。结果表明,对一些特殊的中心天体,中间轨道还是有一定实用价值的。     

关于大行星（或月球）轨道器的冻结轨道

关于人造地球卫星的冻结轨道问题早已为人们所熟知，而且已有相应的卫星在轨运行。在考虑该冻结轨道形成时，主要依据地球扁率J3项与J2项的相对关系，这是由地球非球形引力场的特征所决定的，原理十分清楚，但其原理和结论不能随意地用于其他大行星(或月球)的轨道器。在一般情况下，对于低轨卫星形成冻结轨道的条件，非球形引力位中的奇次带谐项(J21 1，l≥1)将起重要作用。不仅仅是一个J3项，例如月球轨道器，J3，J5，J7和J9均有不可忽视的影响，而且与轨道倾角有一定的关系。为此，本文根据轨道理论对冻结轨道的存在性及其有关问题作进一步的分析，给将来的深空探测提供轨道设计的有关信息和依据。     

高轨卫星的轨道寿命

地球,月球和各大行星的卫星（自然卫星或人造航天器）运动,基本上可处理成考虑主星扁率的限制性三体问题,对于绕主星m1(作为中心天体）运动的高轨卫星,摄动源即主星m1的扁率（非球形引力修正项J2）和另一主星m2的引力（亦称第三体引力摄动）。这类卫星的轨道寿命主要取决于主星m1扁率的大小,卫星的高度和相对主星m1赤道面的轨道倾角,对于高轨卫星,当倾角较大时,轨道寿命将不会很长,由于第三体的引力摄动,轨道偏心率有变幅较大的长周期变化,在运动过程中,其值将会大到使得轨道的近星距rp=a(1-e)≤a,卫星落到主星m1,这里a是主星m1的赤道半径 。     

基于机械能变化的超低轨道大气密度实时估计

在强大气阻力摄动作用下,超低轨道卫星的轨道高度会迅速衰减,大气密度的在轨实时估计对超低轨道卫星的轨道和姿态控制非常重要。研究了利用机械能变化率实现超低轨道卫星大气密度的实时估计方法,基于轨道摄动理论推导了在地球引力、大气阻力和控制力作用下大气密度的估计公式。仿真结果表明,该方法可有效地估计出大气密度。     

基于轨道方程线性化的中段飞行轨道修正方法

对于深空探测、大范围远程交会、抵近观察等中段飞行时间较长的航天任务,中段轨道修正是完成任务的重要保证.基于摄动制导的思路,通过对轨道方程进行线性化,研究了二体条件下的中段轨道修正方法.在近地航天任务中,各种摄动力特别是J2项对终端位置精度的影响不可忽略,因此研究了考虑J2摄动影响时线性化方程的补偿方法.最后通过数值仿真...     

摄动力对绕飞小行星航天器轨道的影响

绕小行星运行的航天器由于受到摄动力的影响,运行轨迹会偏离二体假设下的圆锥曲线轨道。分析摄动力对航天器轨道的影响是测量控制系统设计的先导。以绕飞谷神星的航天器为例,考虑各种摄动对航天器轨道的影响,建立了非球形摄动力、太阳光压摄动力以及太阳引力摄动力的数学模型,从理论上分析了这些摄动力对航天器绕飞轨道的影响,并仿真验证了理论分析结论,直观描绘了所有摄动作用下小行星的椭圆绕飞轨道。     

静止轨道卫星半长轴标定新方法

提出了利用控前2次定轨结果计算的日平均星下点来确定每天的平均半长轴,从而得到只包含地球非球形引力摄动长期项的日平均半长轴,并用此计算目标轨道的方法。为东西控制目标半长轴的选取提供了一种新方法。该方法已多次应用于数颗同步卫星的东西控制中,取得了很好的效果。     

椭圆轨道星座构型自稳定设计研究

椭圆轨道星座构型稳定性要求同时实现升交点赤经、近地点幅角和平近点角的稳定。通过初始偏差对椭圆轨道卫星的长期影响分析可知,轨道半长轴、倾角和偏心率的初始偏差对升交点赤经、近地点幅角和平近点角的长期摄动变化是线性的,因此通过主动偏置轨道半长轴、偏心率和倾角能够实现椭圆轨道星座构型的自稳定设计,从而提高其构型稳定性。对实例星座的设计结果表明,自稳定设计方法对提高椭圆轨道星座的构型稳定性是有效的。     

Geostationary orbit determination for time synchronization using analytical dynamic models

A real time analytical orbit determination method has been developed for precision national time synchronization. The one-way time transfer technique via a geostationary TV satellite standard time and frequency signal (STFS) dissemination system was considered. The differential method was also applied for mitigating errors in geostationary satellite STFS dissemination system. Analytical dynamic orbit determination with extended Kalman filter (EKF) was implemented to improve differential mode STFS (DSTFS) service accuracy by acquiring better accuracy of a geostationary satellite position. The perturbation force models applied for satellite dynamics include the geopotential perturbation up to fifth degree and order harmonics, luni-solar perturbations, and solar radiation pressure. All of the perturbation effects were analyzed by secular, short, and long period variations for equinoctial orbit elements such as semimajor axis, eccentricity vector, inclination vector, and mean right ascension of the geostationary satellite. The reference stations for orbit determination were composed of four calibrated stations. Simulations were performed to evaluate the performance of real time analytical orbit determination in Korea. The simulation results demonstrated that it is possible to determine real time position of geostationary satellite with the accuracy of 300 m rms. This performance implies that the time accuracy is better than 25 ns all over the Korean peninsula. The real time analytical orbit determination method developed in this research can provide a reliable, extremely high accurate time synchronization service through setting up domestic-only benchmarks.     

卫星定轨综述

对卫星定轨中的热点问题作一综述,内容包括短弧定轨和长弧精密定轨。对于短弧定轨(通常指初轨),不仅从原理上分析其关键之处,还介绍如何将适用于无摄运动的特殊定轨方法推广用于同时考虑各种摄动的受摄运动,并可同时适用于圆锥曲线的各种情况：变化的椭圆轨道、抛物线轨道和双曲线轨道,后者在深空探测器的运动过程中将会遇到。对于长弧精密定轨,阐述当今提高精密定轨精度的力模型补偿问题以及几何定轨的提法,天地基网联合定轨和星-星相对测量的自主定轨问题。     

简单二体引力模型用于空间目标轨道面交线确定的效果分析

在空间目标碰撞预警分析中，准确地计算出空间目标的轨道面交线是进行地心距筛选、时间差筛选的前提，目前较多使用的快速确定轨道面交线的方法为简单二体引力模型。深入分析该模型，比较了其计算的空间目标轨道面交线与STK计算结果的差异，指出了简单二体引力模型在计算空间目标轨道面交线时的局限性，认为轨道摄动是影响轨道面交线计算准确性的主要原因，应该采用更能反映空间目标实际运动规律的改进的二体引力模型的方法。     

大气密度模型用于近地卫星定轨预报的比较

大气阻力是低轨卫星主要的摄动力,与高层大气密度的变化密切相关。由于目前对高层大气密度变化的机制尚未完全掌握,所使用的各种大气密度模型多属于半经验公式。在这些模型中并没有一种在任何情况下都是最好的,因此,对于特定轨道选择合适的大气密度模型对提高定轨预报的精度是非常重要的。通过对资源2号卫星实测GPS数据的分析计算,比较了常用的8种大气密度模型的定轨预报精度,探讨了预报24h应采用的定轨数据长度和大气密度模型。     

基于连续同伦算法的天基仅测角初定轨方法

要进一步提高天基短弧初定轨的精度,在观测资料精度较高的情况下,仅考虑二体问题是不够的,还应考虑轨道摄动的影响。因此,基于无摄初轨的单位矢量法原理和矢量斜分解方法,给出了考虑摄动的天基仅测角初定轨单位矢量法。针对天基仅测角观测条件方程组求解过程中易出现迭代不收敛或收敛到平凡解的问题,引入连续同伦算法求解观测条件方程组,提出了单星观测方式下的空间目标天基仅测角初定轨方法,并通过数值仿真算例验证了该算法在较大范围的收敛性和数值稳定性。     

空间环境对超低轨道卫星轨迹规划的影响

针对超低轨道卫星受空间环境影响显著,对特定目标的轨迹规划难度大的问题,分析了经验大气模型中空间环境参数预报的预报误差以及空间环境参数预报对轨迹规划的影响.在目前空间环境参数预报的误差特性的基础上,建立了轨道控制量和空间环境参数双变量的轨迹评估规划的算法,通过轨迹规划评估后选取最优轨迹规划方案.该算法能够很好地适应空间环境参数的变化,降低空间环境参数预报误差带来的轨道控制风险.目前,该算法已在某超低轨道卫星的轨迹规划中得到成功应用,对需要考虑空间环境因素影响的较低轨道卫星的轨迹规划与控制具有一定的借鉴意义.