大范围轨道机动的燃料消耗优化方法

针对航天器大范围轨道交会提出了二冲量燃料最省机动方案的数值寻优算法及多冲量机动方案的啸声境遗传算法.利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确小生境遗传算法.利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确性进行了验证,通过仿真实验,比较了大范围交会轨道机动中不同冲量次数对总燃料消耗的影响,分析得出了非共面轨道交会机动时燃料最省的指导性方案.     

在轨服务飞行器对共面圆轨道目标接近过程分析

为了研究在轨服务飞行器(On-orbit Service Vehicle,OSV)针对共面圆轨道目标的大范围机动过程,利用经典二体动力学模型和霍曼转移轨道模型,分析了OSV转移过程中的相位调整和能量需求,比较了自然调相和速度调相的特点,提出了待机轨道、停泊轨道、初始相位差、变轨时机和交会时间等参数选择的一般规律,为选择OSV接近目标的机动策略提供了理论参考。     

空间交会最优控制理论和方法的研究进展

本文概述了国内外最优交会控制理论和方法,着重论述了近几年国内的进展。介绍了有限推力作用下邻近的近圆轨道最优交会,一般共面椭圆轨道全局最优交会,多冲量推力线性化和非线性交会轨道最优制导和水平冲量推力最优交会控制理论和方法的研究成果。     

基于模型预测的轨道自主快速大机动控制

为改善太阳同步轨道(SSO)卫星轨道大机动经典控制方法的性能,提出了一种基于卫星动力学模型预测的轨道自主机动控制算法,用大推力轨控发动机开环控制加小推力器闭环修正进行控制。给出了制导策略和算法流程。理论分析和仿真结果表明,该控制算法适于卫星轨道自主快速机动控制,其轨控精度较高,收敛时间可满足快速性要求。     

椭圆轨道交会、悬停与绕飞的全状态反馈控制

面向大椭圆轨道航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,对大椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,采用幂级数法分别在脉冲推力和常值推力作用两种情况下对系统进行了近似求解。通过对系统解的变换以及对系统状态的重构,给出了大椭圆轨道上的三种交会制导律。脉冲推力作用假设下的脉冲制导类似近圆轨道的Hill制导方法。常值推力作用假设下的全状态反馈制导律则在交会制导、相对悬停和循迹绕飞控制的过程中实现了对相对位置和相对速度的同步控制。通过构造新的系统状态,改进的变系数全状态反馈制导律提高了相对速度的制导精度,降低了相对制导过程中的最大轨控加速度。三种制导律的制导效果通过数学仿真进行了校验和比较,文中给出的方法实现了椭圆轨道上相对交会制导、悬停保持和循迹绕飞控制。     

大角度月面异面动力上升制导策略研究

针对月球探测器大角度异面动力上升入轨问题,提出了一种共面间接上升策略。该策略基于显式制导(E制导)律和轨道机动原理,经过共面动力上升、轨道滑翔2个过程和2次轨道机动,实现大角度异面上升。仿真结果表明:1)E制导律均能实现共面和异面的在线实时制导;2)与传统的平面修正上升策略相比,燃料一定时,轨道转移方法发射窗口明显较大,这在实际应用中应对突发紧急情况随时准备月面起飞有重要的工程意义。     

最优双冲量交会问题的数学建模与数值求解

基于普适变量法研究了两个共面轨道的最优双冲量交会问题。具体地,基于求解Lambert问题的普适变量法,在将给定时间段划分初始飘移阶段、轨 道转移阶段与终端停泊阶段的前提下,对两圆轨道及两拱线相同的椭圆轨道的最优双冲量交 会问题分别进行了优化数学建模,并利用数学软件Lingo进行了数值求解。数值结果表明,划分给定时间段可以得到更优解。
     

一类椭圆轨道交会中的动力学方程研究

研究了一类追踪器和目标器轨道半长轴相差不大、轨道面外的距离相差不大的小偏心率椭圆交会的动力学问题.首先选择合适的圆轨道上的点建立参考系,推导出针对圆轨道参考系的无量纲化线性定常方程,并获得相应的相对状态;接着讨论该方程在小偏心椭圆轨道两冲量交会中的应用;最后进行数值仿真,验证动力学方程和制导策略,并与CW方程及制导策略的相关仿真进行比较.仿真结果表明本文给出的动力学方程的精度优于CW方程,能有效解决这类椭圆交会问题.     

水平推力作用下共面椭圆轨道的最优转移

本文研究在两次水平推力作用下共面椭圆轨道的转移问题,给出了冲量大小和作用点位置的计算公式,文中还讨论了圆到圆、椭圆到圆这两种特殊情况的轨道转移,并给出了数值例子。     

火星轨道交会自主导航与制导方法

对火星采样返回任务中的火星轨道交会自主导航和制导技术进行了研究。采用光学自主导航敏感器测量的火星中心方向和视半径，相对敏感器测量的相对位置等观测量，设计了导航滤波器同时估计轨返组合体和上升器的轨道。在导航滤波器设计中，针对光学自主导航敏感器更新频率远低于滤波解算频率的问题，设计了一种连续观测量构造算法，确保每个滤波周期均可进行测量更新，以提高导航精度。基于导航滤波器估计结果，采用T-H制导设计了4脉冲共椭圆交会策略实施轨道控制，从而构成近程交会自主导航和制导方案用于完成火星轨道交会任务。通过数学仿真校验了所提出方法的有效性。     

交会飞行器的交会轨道研究

交会飞行器是一种与具有某种运动规律的目标交会的飞行器.目前,各个国家为了争夺空间优势,对交会飞行器的交会轨道进行大量的研究,为了提高我国的空间交会能力,本文对交会飞行器的交会轨道进行研究,提出了4种交会飞行器的交会轨道方案,分析了它们的优缺点,对处于不同轨道面的目标,根据各自的具体情况,综合使用了4种交会方式.     

线性相对运动的正切拦截和正切交会轨道研究

针对冲量方向与追踪器速度方向相同的正切轨道问题,用线性相对运动方程研究了正切于初始轨道和正切于目标轨道的共面轨道拦截和轨道交会问题。得到初始和终端时刻的相对速度向量的解析表达式,定义了两个关于目标真近点角的单变量函数,于是正切拦截和正切交会问题等价于这两个函数分别等于零,最后用割线法求解这两个函数的数值解。根据能量最优要求,考虑初始漂移段,分析了一个周期内的最佳初始正切冲量点。仿真结果校验了本文提出的方法。     

System test results from the GNC experiments on the PRISMA in-orbit test bed

The PRISMA in-orbit test bed will demonstrate guidance, navigation, and control strategies for spacecraft formation flying and rendezvous. The project is funded by the Swedish National Space Board and the prime contractor is the Swedish Space Corporation. The project is further supported by the German Aerospace Center, the Technical University of Denmark, and the French Space Agency. PRISMA was launched on June 15, 2010 and after three weeks of operations, all on-board systems and units have passed an initial commissioning phase. Separation of the two PRISMA satellites from each other is expected by mid-August 2010.PRISMA consists of two spacecraft: MAIN and TARGET. The MAIN spacecraft has full orbit control capability while TARGET is attitude controlled only.The Swedish Space Corporation is responsible for three groups of guidance, navigation, and control experiments. These experiments include GPS- and vision-based formation flying during which the spacecraft will fly in passive as well as forced motion. The three experiments are: autonomous formation flying, proximity operations with final approach/recede maneuvers, and autonomous rendezvous. This paper presents system test results from two of these experiments as obtained with the flight-ready system. The system tests consist of a series of simulations performed on the flight model spacecraft with a large amount of hardware in the loop.     

空间多目标拦截交会平台停泊轨道设计优化

针对空间多目标交会(拦截)平台停泊轨道设计问题,定义有效交会(拦截)区作为衡量平台交会(拦截)目标能力的指标,提出并建立了该类空间平台停泊轨道设计优化和分析模型,采用多岛遗传算法(MGA),以有效交会(拦截)区的最大化作为优化目标,以可交会(拦截)目标的数目和子飞行器轨道转移所需要的脉冲速度增量等为约束条件,对该类平台停泊轨道要素和子飞行器变轨时机进行综合设计优化。将上述模型和算法用于两空间平台设计中,一个是针对低轨2目标的交会平台,另一个是针对中轨3目标的拦截平台,得到合理的结果,表明所提出的设计优化模型以及选择的寻优算法是有效的。     

The Use of Quaternions in the Optimal Control Problems of Motion of the Center of Mass of a Spacecraft in a Newtonian Gravitational Field: II

The problem of a rendezvous in the central Newtonian gravitational field is considered for a controlled spacecraft and an uncontrollable spacecraft moving along an elliptic Keplerian orbit. For solving the problem, two variants of the equations of motion for the spacecraft center of mass are used, written in rotating coordinate systems and using quaternion variables to describe the orientations of these coordinate systems. In the first variant of the equations of motion a quaternion variable characterizes the orientation of an instantaneous orbit of the spacecraft and the spacecraft location in the orbit, while in the second variant it characterizes the orientation of the plane of the spacecraft instantaneous orbit and the location of a generalized pericenter in the orbit. The quaternion variable used in the second variant of the equations of motion is a quaternion osculating element of the spacecraft orbit. The problem of a rendezvous of two spacecraft is formulated as a problem of optimal control by the motion of the center of mass of a controlled spacecraft with a movable right end of the trajectory, and it is solved on the basis of Pontryagin's maximum principle.     

载人登月飞行方案研究

根据载人登月任务有无地球轨道和月球轨道交会对接,将登月途径分为地球轨道交会-月球轨道交会、地球轨道交会-直接返回、地球轨道不交会-月球轨道交会,以及地球轨道不交会-月球轨道不交会四类,并对各自可能的演变登月方式进行了分析。对载人登月的质量规模及运载火箭需求进行了分析,讨论并比较了一次发射、基于环月轨道交会组装和基于近地轨道交会组装方案的时间窗口和登月方案,并给出了建议。研究可为我国载人登月任务方案选取提供参考。     

PRISMA—A formation flying project in implementation phase

The PRISMA project for autonomous formation flying and rendezvous has passed its critical design review in February–March 2007. The project comprises two satellites which are an in-orbit testbed for Guidance, Navigation and Control (GNC) algorithms and sensors for advanced formation flying and rendezvous. Several experiments involving GNC algorithms, sensors and thrusters will be performed during a 10 month mission with launch planned for the second half of 2009.The project is run by the Swedish Space Corporation (SSC) in close cooperation with the German Aerospace Center (DLR), the French Space Agency (CNES) and the Technical University of Denmark (DTU). Additionally, the project also will demonstrate flight worthiness of two novel motor technologies: one that uses environmentally clean and non-hazardous propellant, and one that consists of a microthruster system based on MEMS technology.The project will demonstrate autonomous formation flying and rendezvous based on several sensors—GPS, RF-based and vision based—with different objectives and in different combinations. The GPS-based onboard navigation system, contributed by DLR, offers relative orbit information in real-time in decimetre range. The RF-based navigation instrument intended for DARWIN, under CNES development, will be tested for the first time on PRISMA, both for instrument performance, but also in closed loop as main sensor for formation flying. Several rendezvous and proximity manoeuvre experiments will be demonstrated using only vision based sensor information coming from the modified star camera provided by DTU. Semi-autonomous operations ranging from 200 km to 1 m separation between the satellites will be demonstrated.With the project now in the verification phase particular attention is given to the specific formation flying and rendezvous functionality on instrument, GNC-software and system level.     

月球轨道交会任务的远程导引变轨策略研究

对国内外月球轨道交会远程导引段变轨策略的2~5脉冲变轨方案进行了比较分析,在考虑月球轨道交会飞行任务测控资源有限和航天器所带燃料受限等特点的基础上,确定了我国月球轨道交会远程导引段的变轨策略为4脉冲方案;并介绍了在4脉冲基线轨道方案的基础上,进行标称轨道设计和月面上升窗口初步分析的结果。研究结果可为我国月球轨道交会对接任务提供参考。     

远程导引变轨方案修正算法

为在实际摄动条件下由远程导引变轨方案初始设计结果实现追踪航天器与目标航天器的交会,提出了一种修正变轨方案。将初始多脉冲式变轨方案转换为有限推力式并作修正,取远程导引结束时刻追踪与目标航天器间的相对轨道要素为目标函数,采用J2,J3,J4解析轨道预报器对目标函数计算需要的轨道进行预报,以历次变轨开始时刻、结束时刻和推力方向为优化变量,用边界约束有限存储BFGS(L-BFGS-B)优化算法获得的最优解为修正后的变轨方案,可消除摄动模型误差。算例结果表明,经转换和修正所得有限推力式变轨方案能在实际摄动条件下实现追踪航天器与目标航天器的交会。     

面向木星卫星交会任务的探测器飞行路径规划

针对探测器在木星系统内多次借力的飞行路径和轨道优化设计问题,提出了一种基于三层优化思想的飞行路径规划方法,该方法可根据给定的任务约束和交会目标,自动搜索探测器在木星系统内的借力飞行序列,同时完成标称飞行轨道的优化设计。首先,文章在给定轨道动力学模型和木卫借力模型基础上,建立了面向木卫交会任务的两次借力飞行轨道优化设计模型和求解方法;然后,采用结合遗传算法、全局遍历和贪婪算法的三层优化设计思路,给出了一种环木飞行路径规划方法;最后,以木星四颗卫星的交会任务为例进行了仿真分析。仿真结果表明：针对木卫的交会任务,探测器速度增量需求随木卫借力次数的增多,呈现先显著减小后逐渐增大的现象;探测器采用多次木卫借力的策略,可显著降低探测器的速度增量需求;探测器速度增量达到最优之后,借力目标收敛于交会目标,且速度增量随借力次数的进一步增多而逐渐增大。