轨道维持与机动的最优控制

从航天器的轨道运动学方程出发 ,运用线性离散系统最优控制理论 ,提出了一种用于航天器轨道维持与轨道机动的最优控制方法 ,建立了相关的最优控制模型并给出了求解该模型的算法。仿真计算结果表明 ,本文提出的最优控制方法是正确和可行的     

航天器共振轨道研究

建立航天器非开普勒运动理论是航天技术发展的必然。提出了一类非开普勒轨道——共振轨 道。共振是自然界的一种普遍现象,当发生共振时,很小的输入可以使系统的状态产生较大 变化。研究表明航天器在推力作用下的非开普勒运动在参数平面内可以视为一种受迫振 动,也会发生共振现象。因此,可以利用共振原理来研究航天器的运动,称这样一类非开普 勒轨道为共振轨道。首先通过合理地选择轨道描述参数、时间尺度和推力描述方式建立 航天器共振轨道的动力学模型。然后讨论航天器在推力作用下轨道运动的振动规律,并给出 共振轨道的概念及轨道方程。最后提出基于共振轨道的机动轨道设计方法。
     

一种常值推力作用的轨道机动优化设计策略

针对常值推力作用的航天器轨道机动优化设计问题开展研究,推导了航天器三维空间轨道机动动力学模型,对动力学模型各参数进行无量纲化处理以防止计算过程中出现奇异。提出了一种先轨道等待再轨道机动的优化设计策略,航天器先在初始轨道上无动力飞行一段时间进行轨道等待,然后寻找一个最优时刻施加推力再进行轨道机动。该策略将航天器的最优等待时刻和轨道机动过程中的最优控制量作为整体统一进行优化。通过基于分段积分技术的多重直接打靶法将原先复杂的轨迹优化设计问题转化为每个子时间区间的非线性规划问题,采用内点法进行求解。仿真验证了本文优化设计策略的有效性。     

航天器异面气动力辅助变轨大气飞行段的最优轨迹

本文研究航天器利用气动力辅助变轨实现由远地轨道向近地轨道异面转移问题，就航天器利用大气飞行实现减速及轨道平面机动提出了一种考虑过程约束存在时的优化设计方法。通过方案设计将函数优化问题转换成参数优化问题，并利用美国航天飞机数据进行了模拟计算，得到满意结果。     

航天器环绕小行星Ivar的运动分析

将小行星Ivar近似为三轴椭球体，给出了非球形引力势函数，建立了航天器环绕小行星Ivar的轨道动力学方程。利用Jacobi积分常数绘制了航天器在Ivar周围的零速度曲线，并分析了航天器的可能运动区域，给出了航天器不碰撞小行星Ivar的边界条件及不同偏心率下的近拱点半径。分析了小行星Ivar扁率和椭率对环绕轨道的影响，数学仿真结果表明：在一个轨道周期内，顺行轨道的开普勒能量、轨道角动量、偏心率和近拱点半径变化较大，而逆行轨道的相应参数变化较小。     

卫星快速绕飞轨迹设计与制导

快速绕飞在航天器近距离观测、空间目标识别与侦察、在轨服务与应急情况处理活动中具有重要应用。首先建立了适用于目标航天器运行在圆轨道或椭圆轨道的相对运动状态转移矩阵;然后,推导了采用多脉冲控制方法实现与目标航天器共面和异面快速绕飞、进入绕飞和退出绕飞的轨迹设计与制导的模型和算法;最后,分析了绕飞过程速度脉冲需求与绕飞参数的关系。仿真计算结果表明所提出的快速绕飞轨迹设计模型和制导算法可以用于对圆轨道或椭圆轨道目标航天器的共面或异面快速绕飞。     

一种航天器空间机动轨道的改进形状设计方法

针对带推力约束的航天器三维空间机动轨道初始设计问题,提出了一种基于傅立叶级数展开的改进形状设计方法。首先,在柱坐标系下建立了航天器运动模型,并将基于傅立叶级数展开的形状方法推广到三维空间的机动轨道初始设计;然后,基于所得到的空间初始机动轨道,采用直接配点法进行了完整三维空间机动轨道的优化设计。仿真结果表明,提出的方法可以为带有任务约束的航天器三维空间机动轨道的优化设计提供更优的初始参数及其解析解,为空间机动轨道设计提供了新的方法。     

航天器相对运动水滴型悬停轨道研究

对航天器相对运动的C-W方程进行了分析,提出了航天器相对运动轨道设计中的一种水滴型悬停轨道,能够实现航天器相对空间目标在一定范围内进行悬停,并且只需使用脉冲速度增量控制即可实现长时间的悬停。文章对悬停轨道的悬停周期与目标航天器轨道参数和悬停位置的关系,以及悬停控制所需的速度增量ΔV进行了分析,给出了进行悬停轨道选择及设计的工程方法,并对C-W方程的状态转移矩阵进行了推导,得到了由常规的后方伴飞轨道使用脉冲速度控制方案进入目标星正下方的悬停位置的初始速度增量、转移时间及末端速度增量。根据分析结果,水滴型悬停轨道有利于工程实现,其设计方法可以应用于航天器在轨服务、侦察、巡视等任务的轨道设计。     

太阳帆日心定点悬浮转移轨道设计

研究了太阳帆航天器日心定点悬浮轨道(HFDO)的转移轨道设计问题,以球坐标形式建立了太阳帆的动力学模型,基于该模型给出在日心悬浮轨道基础上实现定点悬浮的条件,提出了一种实现日心定点悬浮的转移轨道设计方法。首先,确定定点悬浮的位置;然后,设计经过该位置的绕日极轨轨道;最后,实施轨道减速实现定点悬浮,并给出了解析形式的轨道控制律。结合太阳极地观测任务,设计了定点悬浮在太阳北极1AU处的太阳帆转移轨道。仿真结果表明:该轨道转移方案总耗时3.5年,太阳帆定点到黄北极距日心1AU处,此后只要保持太阳光垂直照射帆面,即可维持稳定的悬浮状态。     

升力式航天器太阳同步冻结回归轨道保持策略

针对超低轨道升力式航天器对地观察的优势及其高机动特性，设计了一种近地点位于临近空间的太阳同步冻结回归轨道，并对气动力辅助与发动机推力相结合的轨道保持策略进行了研究。策略将轨道保持过程分为3个阶段：第1阶段自远地点飞向大气层，不施加控制；第2阶段在大气层内飞行，通过控制攻角和倾侧角调整航天器所受气动力，小幅改变轨道的升交点赤经；第3阶段自跃出大气层到远地点，利用轨控发动机调整轨道参数，回到远地点时除升交点赤经其他轨道参数不变。以燃料最省为性能指标，对轨道保持策略进行了仿真分析，结果表明可以实现14.7天太阳同步冻结回归轨道的在轨运行。     

初值不确定轨道可达区域计算

为计算航天器轨道初值不确定造成的可达区域（RD）,提出一种适用于椭圆参考轨道的计算方法。以航天器的名义轨道作为基线,定义一个随时间变化的移动参考平面,在此移动平面上建立名义轨道到可达区域上任一点的距离函数,函数的极大值点即为可达区包络的边界点,从而将问题转换为非线性方程组的求解问题,并对动力学模型部分线性化带来的误差进行了分析。随后采用变参数的自适应同伦算法对方程组进行求解。最后对航天器释放微小卫星的实例进行数值仿真,结果显示该方法可行有效。     

一种小推力航天器变轨优化方法

针对连续小推力航天器在轨道转移及制导控制过程中,传统方法需优化大量参数,且无法保证得到近优解的问题,提出一种新的轨道转移和规划算法.该算法将电推进式小推力卫星模型的变轨过程转化为最优控制中两点边值问题,引入混合遗传算法,实现了小推力航天器由低轨向高轨的飞行轨道规划及优化,并在开源的科学工程计算软件SCILAB6.0.1...     

基于太阳能热推进的应急飞行器系统优化设计

基于太阳能热推进的航天器推进系统具备高比冲、高效率等诸多性能优势。文章基于太阳能热推进原理实现应急轨道航天器的轨道补偿控制,并对系统关键参数进行了优化设计。首先建立轨道控制系统的数学模型,然后根据太阳能热推进原理与轨道特性实现吸热剂质量与聚光器吸热面积的优化计算,最后仿真验证该方案的可行性。仿真结果表明:该方案适用于210～300 km高度的应急轨道,且吸热剂质量与聚光器面积需求均在合理范围内。     

载人航天器与空间站共轨飞行轨道维持策略

针对载人航天任务中面临的与空间站保持长期共轨飞行的轨道问题,分析了航天器在地球扁率J_2项摄动以及大气阻力摄动作用下,长期共轨飞行航天器半长轴、相位和升交点赤经的变化特性,并设计了仅通过面内调整同时实现面内和面外调整的共轨维持的控制策略。通过仿真算例验证了控制策略的有效性,轨道维持的燃料消耗合理。可为我国载人航天器与空间站共轨方案设计提供参考。     

近地热环境参数对航天器温度影响浅析

介绍了目前国际上普遍采用的近地轨道热环境参数与传统参数之间的差异。对不同轨道的两个航天器,分别按两种参数取值进行了温度计算。结果表明,与国际上目前采用数值相比,采用传统的热环境参数值会使得计算的高温工况外热流偏低,而使低温工况时外热流偏高,从而对航天器内部温度会造成1℃～2℃的偏差。     

基于J2项摄动的MMS任务编队优化设计

Magnetospheric MultiScale(MMS)任务利用椭圆轨道远地点附近的正四面体航天器编队,协同完成对地球磁层结构和动力学特性的测量和分析.采用基于轨道根数的相对运动模型,分析了主航天器轨道根数对J2项影响下四面体平均性能指标--质量因子均值和平均边长均值的影响规律,并由此提出一种编队轨道优化设计方案,将其应用于第1阶段MMS任务的四面体构形设计中.该方案的设计变量包括主航天器的6个轨道根数和3个从航天器的15个相对轨道根数(除相对半长轴外),目标函数既考虑到四面体编队的平均性能,又兼顾了3个从航天器相对运动的受摄影响.仿真算例显示,在不施加主动控制的条件下,利用该方案设计远地点附近平均性能保持最优的四面体编队是可行的.     

基于J2项摄动的MMS任务编队优化设计

Magnetospheric MultiScale（MMS）任务利用椭圆轨道远地点附近的正四面体航天器编队，协同完成对地球磁层结构和动力学特性的测量和分析。采用基于轨道根数的相对运动模型，分析了主航天器轨道根数对J2项影响下四面体平均性能指标——质量因子均值和平均边长均值的影响规律，并由此提出一种编队轨道优化设计方案，将其应用于第1阶段MMS任务的四面体构形设计中。该方案的设计变量包括主航天器的6个轨道根数和3个从航天器的15个相对轨道根数（除相对半长轴外），目标函数既考虑到四面体编队的平均性能，又兼顾了3个从航天器相对运动的受摄影响。仿真算例显示，在不施加主动控制的条件下，利用该方案设计远地点附近平均性能保持最优的四面体编队是可行的。     

低地球轨道航天器的轨道碎片环境

文章介绍了一种适用于低地球轨道航天器的轨道碎片环境模型。对建立这个模型的数据源及设计标准进行了详细的叙述。并评价这个数据模型对未来空间环境的预测和测量中的不确定性。     

相邻两航天器相对运动近似方程的解析解及比动能方程

在地心引力场中,当目标航天器沿近圆轨道作无动力运动时,与目标航天器相邻的受控航天器相对于目标航天器的运动可以近似地用Hill方程描述。文章给出了受控航天器对目标航天器运动的推力加速度随时间线性变化时Hill方程的解析解。并根据Hill方程导出了受控航天器相对目标航天器运动的比动能方程。还讨论了比动能方程在上述两航天器轨道相遇和轨道交会问题中的应用。     

航天器椭圆轨道自主交会的鲁棒滑模控制

提出了一种在缺少绝对轨道信息时的航天器椭圆轨道自主交会方法。用Lawden方程描述椭圆轨道的两星相对运动关系,将方程中的时变参数单独归类。在时变参数无法获知时,视其为不确定量,构成不确定系统。用不确定系统的鲁棒滑模控制方法设计了椭圆轨道自主交会的控制律,并证明了不确定系统为渐进稳定。仿真结果表明:在仅有相对状态信息条件下,设计的控制律能实现椭圆轨道航天器的自主交会。