基于特征模型的Halo轨道维持控制

平动点，尤其是共线平动点轨道在未来深空探测活动中具有重要的应用价值，但由于共线平动点轨道不稳定，运行在其上的航天器在无控情况下将很快偏离标称轨道，因此在实际任务中，轨道维持必不可少。针对地月系L₂点附近的Halo轨道维持问题，首先在圆型限制性三体模型下，利用Richardson三阶近似解析解、微分修正以及打靶法获得了用于维持控制的标称轨道；然后设计了基于特征模型理论的黄金分割控制器用于速度跟踪以及PD控制器用于位置跟踪；最后分别在圆型限制性三体模型和双圆限制性四体模型下进行了仿真分析。结果表明：在两种模型下，位置和速度的跟踪精度分别优于100 m和0.003 m/s，但双圆限制性四体模型下所需总的速度增量比圆型限制性三体模型下所需总的速度增量高一个数量级。     

地月系L1点的月球借力间接转移轨道设计

针对地月系L1点（LL1）的轨道转移问题,在平面圆型限制性三体问题模型下,提出了利用月球借力的间接转移设计方法.转移设计分为地月转移轨道段和月球至LL1流形段.首先,通过改变LL1点初始机动速度,逆向积分LL1点的拟流形,以寻找初始速度、月心会合坐标系下的轨道高度和相位角这三者之间的关系,确定月球—LL1流形段微分改正的初始条件.然后,借助地月系不同转移时间的霍曼转移轨道所对应的近月点高度和相位角的关系,获得使2段转移在近月点相拼接的地月转移轨道段.这种设计方法给出了一系列LL1点间接转移轨道,将此设计结果与其他文献中的转移设计方法进行比较,此间接转移轨道比低能量转移轨道节省时间,比直接转移轨道节约能量.     

椭圆三体问题下月球L2低能逃逸轨道设计

针对圆形限制性三体问题下求解月球探测器逃逸轨道时,不能充分利用月球椭圆公转动力学特性节约逃逸能量的问题,对动力学模型进行拓展,在椭圆三体问题下建立月球探测器轨道动力学方程与能量表达式。首先通过理论推导,求解了探测器逃逸所需的发射能量与逃逸过程中的轨道能量随月地椭圆相对运动状态的数学表达式,对其进行分析发现,同一环月轨道上出发的逃逸探测器所需发射能量与地月距离呈正相关,而逃逸过程中探测器轨道能量变化与地月相向运动速度呈正相关,从而得出在月球接近其近地点过程中发射逃逸探测器可以最大限度节约发射能量的结论。在此基础上,引入庞加莱截面法设计探测器最低能量逃逸轨道。通过寻找使逃逸轨道所在不变流形的庞加莱截面收缩为一点的发射位置与能量,求解不同地月相位下的逃逸轨道能量需求,进而迭代求解能量最优逃逸轨道。最终,通过对比仿真结果得到,月球真近角为283°时发射逃逸探测器将最节约能量,与理论推导的结果相吻合。相对于圆形限制性三体问题下推导的最低逃逸能量,采用椭圆三体模型设计的低能量逃逸轨道可以节约8%左右的发射能量,对于深空探测等任务来说具有明显优势。     

高超声速飞行器组合导航算法

以高超声速飞行器为对象,建立了卫星/惯性组合导航模型。选择组合系统的状态量并建立状态方程,推导位置观测方程和速度观测方程,通过位置、速度交替组合实现卫星/惯性系统的组合。通过仿真验证算法的有效性,仿真结果表明卫星/惯性组合导航可以得到较好的位置和速度信息,适中的姿态精度信息。     

地月系共线平动点探测器的星上轨道预报问题

针对定点在地月系共线平动点附近运动的探测器，研究其轨道预报问题，并探讨了星上外推预报时的力模型简化问题。首先定量分析了共线平动点L1和L2附近探测器的受力情形；然后构造了真实力模型下这些点附近的目标轨道并研究了其误差传播规律，指出这类轨道相比一般卫星轨道预报的不同特征；最后结合星上有限的计算和存储资源限制探讨了力模型的简化问题。此项工作可为定点在平动点附近的探测器的星上预报提供参考。     

小推力登月飞行器轨道初步研究

进行了基于二体模型和平面三体 登月飞行器轨道控制方法的初步研究。首先研究了在二体模型下,基于逃逸条件和“远地点可达”条件下不同推力作用下的飞行器运动仿真。接着将“远地点可达”要领应用于平面三体模型下的向月飞行的轨道研究;完成了从近地低轨道到月球影响球附近的轨道飞行控制方法的研究。仿真结果证明了使用“远地点可达”概念完成地球逃逸段发动机推力终点选择的可行性。     

定常幅值小推力登月飞行器轨道研究

 进行了基于平面三体模型的登月飞行器轨道控制方法的研究;研究了从近地低轨道到近月低轨道的飞行轨道;给出了在地球逃逸段、惯性漂移段和月球捕获段的运动轨迹和关键点的参数。提出使用“远地点可达”概念完成了地球逃逸段发动机推力终点的选择和使用飞行器相对月心能量完成了在月球捕获段止推发动机工作初始点的选择。     

逃逸飞行器轨迹鲁棒性快速评估及制导

为提高受干扰条件下飞行任务成功率,以逃逸飞行器为研究对象,给出了基于误差传播评估弹道鲁棒性的标称轨迹生成办法和线性二次调节器(LQR)控制律制导方法。整个系统建立在飞行器精确动力学模型之上,针对逃逸飞行器工况特点,在被动段利用误差传播法快速打靶寻找满足任务需求的标称轨迹,在飞行主动段采用LQR制导跟踪标称轨迹。以上2种方法从系统的误差线性化模型推导得出,具有一定共通性。仿真结果表明,通过快速打靶规划出的飞行指令,可使得逃逸飞行器在受干扰环境下有55%的概率完成飞行目标,轨迹具有一定鲁棒性;采用LQR控制律,实现了对速度、射高等多变量的跟踪。     

加装格尼襟翼的自转旋翼气动特性研究

为了研究格尼襟翼对自转旋翼气动特性的影响,首先建立了翼型加装格尼襟翼的二维气动特性计算模型,分析了NACA0012翼型及该翼型加装1%、2%弦长高度格尼襟翼的气动特性,理论计算结果与试验结果的对比表明了本计算模型的正确性。基于叶素理论建立了自转旋翼动力学模型,采用Pitt-Peters动态入流模型捕捉自转旋翼诱导速度沿桨盘的非均匀分布特性。最后进行了自转旋翼加装不同高度格尼襟翼的气动特性分析,结果表明:翼型加装1%弦长高度的格尼襟翼后,在20 m/s到35 m/s的来流速度下,自转旋翼的阻力平均减小可达26%;加装高度为2%弦长的格尼襟翼后,在20 m/s到35 m/s的来流速度下,自转旋翼的阻力平均减小达17%。自转旋翼的气动效率得到明显提高。     

基于Starlink机会信号/INS的组合导航方法

针对全球卫星导航系统(GNSS)因频点单一、落地功率低、易受电磁干扰以及存在覆盖较差区域等潜在的被拒止或被干扰导致的导航系统性能降低甚至失效的问题,提出了一种基于星链(Starlink)机会信号融合惯性导航系统(INS)的飞行器动态组合导航方法。首先分析了星链信号体制,建立了基于星链星座卫星下行机会信号的瞬时多普勒定位观测模型,设计了一种基于频率细分的快速最大似然多普勒频率估计方法,然后建立了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的Starlink机会信号/INS的组合导航模型,并对该导航方法进行了实验及分析。结果表明,该方法可为飞行器提供长航时、连续、高精度的导航。动态飞行情况下,该方法可实现平均优于25 m的三维定位精度和平均优于0.1 m/s的速度估计精度,比相同观测时间下的惯导精度提高了1～2个数量级,显著提高了飞行器的导航精度,可为战略导航提供方法和技术支撑。     

小推力航天器的地月低能转移轨道

 在限制性四体模型下研究基于小推力方式的地月低能转移问题,通过借助于平动点轨道的相空间结构来揭示小推力转移的机理。重点研究了小推力转移自由飞行段的构造：经由LL₁点穿越获得最小能量的低能转移;而经由LL₁点Halo轨道穿越,得到(M,N)圈穿越轨道;由于Halo轨道相对于平动点增加了一维度的选择,根据(2,2)圈穿越轨道构造该转移的自由飞行段。在地球势阱逃逸和月球势阱捕获段,分别设计了合适的小推力的控制律及发动机开/关机时间,成功实施近地球段的小推力加速和近月球段的减速。尽管未对所得到的结果进行优化,所得转移轨道的燃料消耗也与类似边界条件的SMART-1轨道基本一致。     

奔月转移轨道的快速设计方法研究

 结合重叠圆锥曲线方法,针对着陆型和月球卫星型两种类型奔月转移轨道,给出了一种奔月转移轨道的快速设计方法。该方法是一种无需轨道数值积分的纯代数计算方法,直接从目标轨道参数出发,具有计算速度快、精度高的特点,避免了圆锥曲线拼接法精度差的缺点,可用于这两类奔月转移轨道的初始设计。该方法可为精确轨道计算提供较好的初值,大大缩短了轨道精确计算所需的时间。同时还针对地球扁率( J2 ) 的影响,给出了一种修正方法,提高了本方法的计算精度。     

Earth-moon Trajectory Optimization Using Solar Electric Propulsion

The optimization of the Earth-moon trajectory using solar electric propulsion is presented. A feasible method is proposed to optimize the transfer trajectory starting from a low Earth circular orbit (500 km altitude) to a low lunar circular orbit (200 km altitude). Due to the use of low-thrust solar electric propulsion, the entire transfer trajectory consists of hundreds or even thousands of orbital revolutions around the Earth and the moon. The Earth-orbit ascending (from low Earth orbit to high Earth orbit) and lunar descending (from high lunar orbit to low lunar orbit) trajectories in the presence of J2 perturbations and shadowing effect are computed by an analytic orbital averaging technique. A direct/indirect method is used to optimize the control steering for the trans-lunar trajectory segment, a segment from a high Earth orbit to a high lunar orbit, with a fixed thrust-coast-thrust engine sequence. For the trans-lunar trajectory segment, the equations of motion are expressed in the inertial coordinates about the Earth and the moon using a set of nonsingular equinoctial elements inclusive of the gravitational forces of the sun, the Earth, and the moon. By way of the analytic orbital averaging technique and the direct/indirect method, the Earth-moon transfer problem is converted to a parameter optimization problem, and the entire transfer trajectory is formulated and optimized in the form of a single nonlinear optimization problem with a small number of variables and constraints. Finally, an example of an Earth-moon transfer trajectory using solar electric propulsion is demonstrated.     

The internal constitutions of the inner planets and the moon

The internal structures of the moon, Mars, Venus, and Mercury are examined in the light of what is known about the constitution of the earth. The gravitational figure of the earth as obtained from orbits of artificial satellites is used to estimate the possible deviations from hydrostatic equilibrium on other planets. Observations of the orbital and rotational motion of the moon are consistent with the hypothesis that the interior of the moon supports density inhomogeneities of the same order as those supported by the earth. The available data on the moon are insufficient to determine whether or not the moon is differentiated. The orbits of Phobos and Deimos yield an adequate value for the moment of inertia of Mars. The moment of inertia and the mass are consistent with a metallic core containing about 10 per cent of the mass of Mars. The observations of the possible magnetic field of Mars would be of importance both to the understanding of planetary magnetic fields and elucidating the internal structure of that planet. Seismic investigations on the earth yield an equation of state for silicates to pressures of about 1 × 10⁶ bars. This equation of state is used in determining density variation within Mars.The surface heat flow for the earth is consistent with the hypothesis that the concentration of radioactive elements is the same as that in chondritic meteorites. The observed ratio of potassium to uranium in surface and near-surface rocks is not consonant with the chondritic hypothesis. The moon can be of chondritic composition only if it is differentiated with the radioactivity concentrated in the upper few hundred kilometers. A chondritic composition for Mars would require a differentiation in excess of that consistent with its mass and moment of inertia. It is concluded that a chondritic composition is not a satisfactory chemical model for the inner planets.     

嫦娥三号巡视器的惯导与视觉组合定姿定位

针对“嫦娥三号”的“玉兔号”巡视器在月面未知环境中避障与安全行进的要求,分析和阐述了“玉兔号”巡视器在地面遥操作中心的控制下利用惯导和视觉组合进行月面导航与精确定位的实现方法,并结合现有的导航定位研究对“玉兔号”巡视器导航与定位的工程创新性进行了总结,阐明了惯导定位和视觉定位技术在“玉兔号”巡视器月面探测过程中的工程应用特点.最后,通过“玉兔号”巡视器着月点的精确定位实验,验证惯导和视觉相结合的定位方法的有效性,定位精度近似达到总行驶里程的1％,这对“玉兔号”巡视器开展月面探索和准确抵达科学目标位置具有重要作用.     

月球卫星精密定轨

随着空间应用需求的日益增大,深空探测已成为现实,而月球显然是人类走向深空的首选目标。发射月球探测器通常分3个阶段,其运动状态分别对应3种不同类型的轨道:近地停泊轨道、地月转移轨道和绕月轨道。月球是1个慢自转天体且无大气,就轨道解而言这些因素导致环月卫星的运动与地球卫星有所差别。本文针对月球探测任务的特点,从月球与地球的差别入手,在仔细分析月球卫星的受力状况前提下,着重阐述月球探测器在环月段精密定轨的方法原理和具体实现过程。     

地球敏感器月球自主干扰保护异常分析及对策

针对某同步三轴稳定卫星地球敏感器自主干扰保护异常的问题,分析了地球敏感器受月球干扰的机理,详细比较了地面与星载月球干扰预报算法,挖掘比对了星载干扰保护软件数据,通过分析遥测数据及事后地面仿真计算软件处理验证,对异常点进行了准确定位,得出了星载月球干扰预报算法的局限性会导致卫星自主干扰保护异常的结论。并在此基础上,提出了在轨卫星地球敏感器受月球干扰自主保护异常时的处置对策,对后续同平台卫星相关设计提出了修改建议。     

Solid component of interplanetary matter from vehicle observations

This paper contains the data of meteoric particle investigations by means of piezoelectric detectors.The data obtained on the different Soviet vehicles at distances from about 100 km to about 100000000 km from the earth are given.Measurements have demonstrated that apart from fluxes there are individual aggregations of meteoric particles with very unequal spatial density of particles in them. Linear dimensions varied within wide limits.A concept of the mass spectrum of meteoric particles is presented.Very high concentrations of minute dust particles were observed near the earth at altitudes from 100–200 km by means of ground-based methods and rocket measurements.The increased density of interplanetary matter in the vicinity of the moon during April and May 1966 was recorded by means of satellite Luna-10. By means of Luna-12 it could not be discovered whether this aggregation is the moon halo or is the result of the moon passage through some dust particle aggregation, because the investigation on satellite Luna-12 was carried out mostly during meteor showers.     

一种低轨卫星应对月影干扰方法

针对2012年5月21日某低轨卫星受到月影干扰导致控制系统工作异常的问题,分析了月影现象产生原理,结合月影期间影响卫星安全的异常原因,系统分析了卫星平台能源预警机制与驱动控制系统中的太阳帆板控制方案,提出了某型号低轨卫星应对月影现象安全运行的处置方法和后续同类型卫星能源管理修改建议.该方法分别在2012年11月9日、2013年5月10日得到应用,在月影期,该卫星太阳阵输出电流从4.5A下降到2A,太阳帆板对日转动正常,能源管理系统未出现报警.应用结果说明,该方法能够有效地解决同类型卫星月影干扰的问题.