追踪星跟踪空间非合作目标的相对轨道设计

对空间非合作目标跟踪飞行可以执行观测或监视等任务。首先从一般性出发对追踪星与非合作目标之间的椭圆轨道相对运动方程进行分析,给出具有任意初始条件的相对运动方程解析表达式。其次,对追踪星沿航向跟踪目标并考虑约束条件时的相对轨道设计进行分析后,给出设计追踪星轨道的方法,该方法使得追踪星在保持对地定向的同时也满足测量敏感器的约束条件。最后通过数学仿真进行了验证。     

Hermes vehicle

The presence of Europe in the future developments of spatial programs, which are foreseen, for the 1990s and further, needs the availability of vehicles, modules and all related technologies adapted to operational use of low earth orbit station.The manned HERMES vehicle shall be part of the in-orbit infrastructure realized either in the European context or in cooperation between Europe and the United States.The main mission for this vehicle will be to run a shuttle with the station that means transport and change of the crews, its safe return in abort condition and cargo transport of consumable and experimental equipment.Secondary missions could be servicing on automatic platform, making autonomous scientific experiments. Lastly, the vehicle, by means of its on-board propulsion capability, could be used to accomplish in-orbit tow and assembly missions.Studies which are undertaken now about the vehicle are devoted to the aerodynamic shape (research of a compromise between aerothermic and overall fitting), the system (functional architecture, ground and flight configuration); further works dealing with technology are presently on hand in the field of thermal protection, aerodynamics, power generation with a high massic yield.     

访问多个特定相对位置的航天器轨道设计

在航天器轨道设计问题中,将惯性空间中经典的吉布斯三矢量定轨方法拓展到相对运动空间中,给出了一种相对运动条件下的三矢量定轨方法。针对已知轨道的目标航天器,以及二个或三个给定的空间相对位置,基于相对运动方程,提出了设计跟随航天器飞行轨道的数值方法。以轨道面共面或异面,以及目标航天器轨道形状为椭圆或圆,将问题分为四种情况进行约束条件和自由变量个数的分析讨论。对于自由变量个数多于约束方程的情况,额外给定周期重访约束,将各种情况下的特定相对位置访问问题转化为一至二维的非线性方程(组)求解问题。对一维方程求解采用分段黄金分割+割线法进行快速求解;对二维方程组通过网格法搜索迭代初值并通过牛顿迭代快速求解。进一步基于线性模型的解,采用微分修正方法求解了各情况下J2摄动模型下的结果。数值算例验证了提出方法的正确性及有效性。     

非合作目标交会相对导航方法研究

本文对一类非合作目标交会的相对导航问题进行了研究。基于近圆轨道上运行的非合作目标航天器初始轨道、追踪航天器在惯性空间的瞬时位置及追踪航天器到目标航天器的视线仰角和方位角等信息,文章从相对距离和相对姿态的确定及相对导航滤波器的设计三方面入手,提出了相对位置和相对速度等相对导航参数的获取方法。数学仿真验证了该方法的有效性。     

Challenges and perspectives of transport cargo vehicles utilization for performing research in free flight

Russian Progress transport cargo vehicles have successfully been used in different space station programs since 1978. At present time, they play an important role in the International Space Station (ISS) project. Main tasks performed by the transport cargo vehicle (TCV) in the station program are the following: refueling of the station, delivery of consumables and equipment, waste removal, station attitude control and orbit correction maneuver execution.     

基于T-H方程的卫星轨迹模型参考输出跟踪控制方法

当目标卫星沿椭圆轨道运行时,描述追踪星与目标星相对运动的线性化方程为T-H方程。将描述航天器相对运动的T-H方程变换为周期系统的状态空间形式,并给出卫星轨迹跟踪控制问题的数学描述。基于周期系统的参量Lyapunov方法和模型参考跟踪控制理论,提出了卫星轨迹跟踪控制器的设计方法。利用该方法设计了带有收敛速率保障的反馈镇定控制器和具有自由参数的前馈控制器。对追踪星相对目标星悬停任务进行了数值仿真,仿真结果表明提出的控制方案是有效的。     

Magnetic trapping in orbit

A toroidal solenoid in orbit can represent a magnetic trap for bodies carrying dipole moment. We find the dependence of the trap dimensions on the electrical parameters and the orbit height. There is no trap if the solenoid radius exceeds a certain value. Various trap dimensions are calculated for a non-spinning space station in Earth or Sun orbit. The trap dimension is nearly independent of the solenoid orientation so that the solenoid may be fastened to the station rigidly. If the solenoid radius is in the range of some meters, the trap dimension is one order of magnitude greater for a distant Earth orbit and two orders of magnitude for an orbit around the Sun at distances of the order of one AU. The calculations are performed for a non-superconducting solenoid. The trap can be used for simplifying the docking on of maintenance vehicles or building modules, as safety mechanism for crewmembers working in outer space, and for the collection of paramagnetic or ferromagnetic dust stopped by mechanical means.     

接近和跟踪非合作机动目标的非线性最优控制

航天器在实施对空间非合作目标的近程操作任务中,需要接近目标并保持在目标附近的特定方位,对目标指定部位随动跟踪和观测。针对非合作机动目标的接近和视线跟踪的六自由度控制问题,根据视线坐标系下的相对轨道方程和体坐标系下的相对误差四元数姿态方程,建立了航天器间近距离相对运动的轨道和姿态联合控制模型。考虑模型的非线性、时变性和计算的快速性,采用θ-D控制方法进行接近和视线跟踪的轨道和姿态联合控制。为了减小跟踪同时存在轨道和姿态机动的非合作目标的控制误差,应用Lyapunov最小-最大定理设计了θ-D修正控制器,改善非合作目标同时进行姿态和轨道机动时的控制性能。仿真验证了模型的正确性和控制器良好的跟踪性能。     

对无控旋转目标逼近的自适应滑模控制

对追踪器逼近无控旋转目标器的轨迹和姿态六自由度控制问题进行了研究.基于适用于任意偏心率的航天器相对运动轨道和姿态动力学模型,对追踪器逼近无控旋转目标的参考轨迹和参考姿态进行了分析与设计,推导了一种用于六自由度逼近控制的自适应滑模控制器.通过仿真分析,证明了所设计的逼近参考轨迹和参考姿态的合理性,同时验证了自适应滑模控制器的有效性.     

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.     

固体动能拦截器助推段飞行方案研究

针对三维空间内的高速飞行目标,提出了一种可用于固体动能拦截器助推段的导引方法。建立了固体动能拦截器与目标的相对运动关系模型,分析确定了转移轨道的约束条件,并在此基础上推导出转移轨道的轨道根数计算方法。同时根据拦截器的待增速度给出了助推器推力矢量方向的确定方法。仿真结果表明,该方法能有效实现固体动能拦截器助推段的制导控制。     

空间停靠动力学和控制

本文研究空间停靠是广义的，它包括停留和靠近两个内容。本文首先研究空间靠近动力学方程；其次讨论保持点的动力学特性和保持点轨迹稳定的必要条件；最后介绍靠近段安全可靠的控制策略，其中包括主动稳定保持点轨迹的控制方案。     

交会相对运动确定的新方法

本文叙述空间交会过程中相对运动参数测定的新算法。在测量目标的相对距离和方向的基础上,借助于追踪航天器上的地球敏感器和太阳敏感器,就能直接确定在目标轨道坐标系中相对运动的参数。为此,测量系统可以不含陀螺惯性平台。     

微小卫星三机异构一体化计算机设计

当前微小卫星的星载计算机与运载计算机多分别采用不同结构的计算机系统设计,导致资源浪费和运载计算机的可靠性较弱。文章提出了一种微小卫星一体化计算机的设计,即采用三机异构备份的设计方案。在发射运载阶段,以数字信号处理器（DSP）为核心的运载计算机作为主机,以高性能FPGA为核心的时变计算机作为备机;在在轨运行阶段,以ERC32处理器为核心的卫星平台计算机作为主机,时变计算机经重构后作为备机。此设计不仅提高了运载计算机的可靠性,而且对卫星平台电子系统在能源、热控、遥测遥控、有效载荷、姿态轨道控制等方面的综合管理能力也有全面提升,并且还具有灵活的扩展性和较强的适应性。     

近距离航天器相对轨道的鲁棒自适应控制

针对近距离航天器的相对轨道提出了一种鲁棒自适应控制律。在追踪星本体坐标系中考虑航天器的相对运动。首先,在转动惯量未知的情形下提出了自适应控制律,保证系统的全局渐近稳定性。其次,将两星地心引力加速度之差作为干扰加速度,并假设干扰有未知上界,对自适应控制律进行修正,提出了鲁棒自适应律,使得系统是全局一致最终有界稳定的。控制律的设计不需要绝对轨道信息,适用于任意轨道。对航天器编队飞行和空间交会两种情形分别进行了仿真分析,结果表明所设计的控制律是合理有效的。     

Technical and economical comparison between a modular geostationary space platform and a cluster of satellites

In recent years, the identification of a large number of telecommunication missions reflects a growing demand for the provision of a large variety of communications and data transmission services performed by a space segment.

At present, communication space segment use a single operational satellite per orbit position. However, the expected increase of communication channels per space segment will lead to a corresponding increase of satellite mass and size which could exceed the capabilities of existing launch vehicles in terms of mass and volume requirements. Those considerations, coupled with the threatening saturation of the geostationary orbit, lead to the conclusion that an optimal space segment concept must be defined on a technical as well as economical point of view.

Two main concepts may be envisaged: one is a large platform, which can be assembled either in geostationary orbit (resulting in several launches, rendez-vous and docking), or in low earth orbit by using the STS; the other concept is a cluster of satellites.

These candidate concepts are designed to meet the requirements of a reference mission. They are characterized by the required number of modules to be launched, the type of launcher, the new subsystems or equipments to be developed. The concepts are evaluated following technical criteria such as adaptability to other missions, flexibility, growth potential. A cost/benefit evaluation of each solution is presented. A comparison between the different concepts is then made on the basis of the technical/economical attractiveness of each solution.     

采用单轴双太阳帆板空间站的一种姿态定向模式

采用单轴双帆板供电和单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为执行机构的倾斜轨道空间站,当太阳方向与轨道面夹角较大时,帆板的光照条件不易保证,为此本文针对这种类型的空间站设计了一种姿态定向模式以保证帆板的光照条件,并通过在阴影区姿态机动,利用重力梯度力矩对SGCMG进行卸载。仿真结果表明,该姿态定向模式满足太阳帆板的光照条件,重力梯度力矩卸载方法保证了SGCMG中的角动量不超出给定的范围。     

基于Lyapunov直接法的航天器近程导引控制律

基于C-W方程的相对动力学模型,用Lyapunov直接法设计了一种运行于近圆轨道航天器的近程导引控制律,给出了控制模型。该控制律简单有效,无需求解系统方程即可分析和判断近程导引的稳定性进而施加控制。仿真结果表明,该法的导引精度可满足要求,其收敛时间和燃料消耗也在可接受的范围内。     

航天器交会对接发射时间的选择与确定

在航天器交会对接飞行试验中,追踪飞船与目标飞船发射时间的选择不是独立的,而是相互关联的,并且涉及多方面因素,如轨道共面要求、对太阳电池帆板的日照角限制以及最终平移段目标飞船的照明需求等。综合考虑这些约束条件,提出追踪飞船与目标飞船发射时间选择与确定的方法,并以图表形式给出许多模拟计算结果,对航天器交会对接设计与飞行试验具有应用价值。     

空间站能源系统并网供电技术研究

空间站结构复杂,通常由多个舱段组成,与飞船等飞行器进行交会对接后,各舱段和对接飞行器自有的能源系统可能会由于空间位置及相互遮挡等原因而无法满足自身供电需求,这就需要对舱体电源系统进行并网供电。文章论述了“天宫一号”目标飞行器与“神舟”飞船采用的并网供电方案,通过并联冗余及自动均流控制实现不同舱体间的功率传输;在此基础上,通过调研国外空间站并网供电技术,比较了空间飞行器组合体并网供电中的技术方案及特点,总结了目前空间站并网供电模式可采用的类型,最后提出了我国未来空间站并网供电可采取的方案。