天基空间目标监视的短弧段定轨技术

利用两个短弧段的天基测角资料实现对空间目标的轨道确定是天基空间目标监视系统需解决的重要问题之一。提出利用二体轨道的角动量和能量守恒方程计算空间目标初轨的新方法,该方法将短弧段的主要测量信息表示为弧段属性,由两个短弧段的弧段属性建立守恒方程,采用变量替换法求解守恒方程获得多个初轨,通过方差分析从中选择合适的初轨。针对轨道改进中的迭代发散和收敛于局部极小点的问题,提出了选取多个迭代初值进行轨道改进的采样方法。仿真结果表明,初轨确定算法是可行的,轨道改进能成功解算最小二乘轨道。     

航天器交会两点边界值问题

从绝对运动和相对运动两方面讨论近地空间航天器交会中的两点边界值问题。其中，绝对运动涉及多圈Lambert问题，以Lagrange时间方程为研究工具，而相对运动Lambert问题应用C—W线性解。对圆轨道之间的双冲量转移，给定转移角与转移时间，研究最小变轨速度增量所对应的转移圈数与轨道参数的求解方法，提出满足最小变轨速度增量要求的多圈转移的工程图解法，并从工程应用出发，在飞行时间约束下，按最小速度增量要求，阐述航天器交会两点之间飞行轨道（轨迹）设计方法。这种方法将飞行轨迹划分为初始漂移段、轨道转移段与终端停泊段三部分，应用两点边界值问题的解，选择两次冲量机动时刻，使速度增量之和最小。模拟算例表明，这种方法对航天器交会设计是适用的、有效的。     

近圆参考轨道脉冲悬停及其轨迹安全分析方法

基于航天器相对运动的C-W方程及其解析解,研究了空间相对悬停的脉冲控制方法,给出了相对悬停脉冲控制量的计算方法,降低了对空间悬停任务航天器控制推进系统的要求,有利于工程实现。以两航天器相对轨道机动过程中的碰撞概率计算方法为基础,对相对悬停的轨迹安全风险进行了量化分析。数值仿真算例显示,本文方法可实现圆或近圆参考轨道上的空间相对悬停,且缩短悬停轨道机动周期,有利于悬停效果的提升。悬停相对运动过程中,悬停碰撞概率的极值点与两航天器相对距离的最小值几乎同时出现。     

一种提高空间实验室定轨精度的方法

以近地航天器轨道动力学为基础,建立变阻力系数大气摄动模型,设计了求解变阻力系数的算法。然后利用天宫一号飞行器的测轨数据进行计算,分析了空间实验室飞行高度的轨道特性,其中包括：大气模式密度误差、变阻力系数与空间环境关系、定轨残差和星历误差。在空间环境平静和磁暴的条件下,制定了多种求解变阻力系数的策略,解决了空间实验室长弧段定轨精度受限的问题,并在空间环境平静条件下实现了优于10米的定轨精度,在磁暴条件下实现了优于20米的定轨精度。     

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。
     

航天器相对运动建模及周期性相对运动求解

面向航天器编队飞行的需求,对椭圆参考轨道航天器非线性周期相对运动条件进行研究,提出了确定椭圆参考轨道编队航天器非线性周期性相对运动条件的新方法。首先,考虑非线性、椭圆轨道等因素,通过哈密尔顿-雅可比(HJ)方程和正则摄动理论,推导了在任意非线性摄动下相对运动的模型和获得不需消耗任何燃料的周期性相对运动轨道的条件;然后,采用时域配点法,结合改进的列文伯格-马夸尔特(LM)法对周期性相对运动的初值进行求解;最后,设计数值仿真算例,利用上述条件,得到不消耗任何燃料的周期性绕飞轨道,由此验证了本文所提模型和方法的正确性。     

采用SDRE方法的无径向推力最优轨道控制

针对无径向推力作用的两航天器轨道交会和编队卫星队形重构任务,采用状态依赖Riccati方程(SDRE)方法求解了其最优轨道控制问题。首先考虑J2摄动和推力仅存在于追踪航天器的周向和法向,推导了状态依赖配点(SDC)形式的非线性相对运动方程。然后针对终端状态为零的轨道交会问题,采用SDRE方法得到了最优反馈控制律,并给出了状态依赖Riccati微分方程的近似求解策略和数值求解策略。接着扩展了SDRE方法并将其用于终端状态不为零的编队卫星队形重构问题,并给出了相应的数值求解策略。相比于伪谱法等优化方法,本文提出的方法不需要初始猜测值。此外,数值仿真表明,解析求解Riccati微分方程方法对于近圆轨道具有较高的精度,数值计算方法对即使偏心率为0.3的椭圆轨道,其最优性偏差仍小于6%。     

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。     

航天器编队的六自由度循环追踪协同控制

针对航天器编队的姿轨协同控制问题,提出一种使用循环追踪策略的六自由度(6-DOF)协同控制方法。首先,结合Lagrangian形式的姿态动力学和轨道动力学方程,建立航天器编队的六自由度相对运动模型;然后,以线性双积分系统的循环追踪算法为基础,分别设计可跟踪动态目标的循环追踪算法和航天器匹配自然周期相对运动的循环追踪算法。综合上述两种算法,设计航天器编队六自由度协同控制的循环追踪算法。该算法可实现航天器编队空间圆构型初始化,跟踪动态的期望姿态和相对运动。仿真结果证明了所提出的航天器编队六自由度协同控制的循环追踪算法的有效性。     

基于遗传算法的极短弧段天基轨道确定方法

天基光学观测系统采用恒星跟踪模式监视空间目标时获取的观测弧段极短,在极短弧段观测条件下,经典的轨道确定方法会由于求解方程的本征病态无法得到合理解。针对该问题,文章采用遗传算法对空间目标极短弧段轨道确定问题进行优化求解,建立了基于遗传算法的空间目标初始轨道参数求解的运算模型,并利用空间目标的分布特性进行分区域计算,从而有针对性地缩小搜索范围,提高了计算效率并避免解收敛到局部最优值。仿真试验表明:该方法能够利用天基极短弧段观测数据正确估计空间目标初始轨道参数,定轨精度优于Gauss法与采用观测斜矩作为优化变量的方法。此方法为精密定轨提供有效初值,提高多个短弧段之间的关联性,由此可为天基光学观测平台的空间目标监视、跟踪以及编目任务提供参考。     

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。     

Space patrol: Variants of the optical barrier scheme

Different variants of the space patrol system to be designed for discovering and cataloging space objects hazardous for the Earth have been investigated. The basic idea of this system is to create an optical barrier using the telescopes deployed in a heliocentric orbit. Difficulties (as well as ways of overcoming them) of this program are analyzed, associated with form and position of the orbit of a space object relative to the patrol spacecraft, determination of orbit parameters, and mutual motion of space objects and the telescopes on spacecraft. The barrier’s schemes with scanning vertical or horizontal belts are considered. Some examples of observational conditions are presented for space objects crossing the barrier region: angular positions, velocities, distances, and numbers of days during which they are observed in the barrier region. The barrier’s characteristics are given for telescopes deployed in the orbits of the Earth and Venus.     

空间交会相对状态测定与控制

阐述航天器交会对接最终逼近段相对状态测定与控制算法。测定算法适用于计算机视觉系统,根据标志点构型几何特征,建立非线性测距方程组并构造加权目标函数。对非共面标志点构型（如3点T型与5点锥型）和共面标志点构型（如正方形、矩形、菱形）,目标函数均含标志点间距比率关系项;对共面构型,目标函数还包含共面条件项。按最小二乘法,采用Gauaa-Newton数值迭代法求解测距最佳值;对共面标志点四边形构型,利用对角线交点的虚影像坐标确定测距求解迭代初值。获得测距后即可应用四元数估算法确定相对姿态与相对位置。对相对姿态控制算法,给出相对姿态运动学与动力学方程,讨论相平面法与四元数反馈法的控制设计方法。相平面控制法应用常值推力,针对小姿态角机动的特点,将相对姿态通道解耦为三个独立的二阶子系统,设计相平面推力方向切换函数;四元数反馈法应用本征轴旋转的线性二阶系统瞬态响应特性,选择相对四元数与相对角速率反馈增益系数,确定控制力矩。对相对位置控制算法,将实际位移对标称位移之差作为控制变量,阐述所需速度增量最小的双冲量机动。大量模拟计算结果表明相对状态测定与控制算法是有效的。     

空间合作目标运动再现的相似设计方法研究

以相似理论为基础设计一种绝对运动等效代换方案以在地面试验中实现空间合作目标绝对运动与相对运动同时再现。首先应用量纲分析法给出空间合作目标轨道姿态动力学问题地面试验的相似准则;然后,提出绝对运动等效代换方法,并以此为基础建立运动再现地面试验模拟器的轨道姿态动力学方程;最后以航天器交会对接最终逼近段地面验证试验为例给出地面试验系统验证方案的具体实施步骤,并通过仿真算例说明所提方法的有效性。     

基于机动平台序列图像的空间飞行器定轨技术研究

针对机动观测平台单目光学成像系统的特点,在不能测定目标飞行器位置和速度的前提下,通过对成像系统与空间飞行器空间关系的分析,提出了视平均运动角速度与真平均运动角速度的概念,并构建了关于二者的约束方程,实现了基于测角数据的观测斜距的估计,从而解算出定轨所需的初始状态参数。基于观测斜距估计的轨道确定方法把对空间飞行器的定轨问题,归结为根据图像序列计算目标测角和根据测角数据确定观测斜距,解决了利用空间单目光学成像数据的定轨问题,并以高轨卫星为实例对定轨精度进行了仿真验证。     

轨道交会、悬停及绕飞控制的解析解方法

面向航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,分别对近圆、椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,在常值推力作用假设下进行了相对运动的解析求解。采用模型预测的方法获得航天器相对位置和相对速度的预期偏差。通过广义逆变换构造关于预期偏差的最小范数、最小二乘全状态反馈控制器。提出了一种普遍适用于近圆、椭圆轨道,可以实现轨道交会、相对悬停保持和循迹绕飞,对相对位置和相对速度进行同步控制的高精度、高稳定度相对制导律。仿真结果校验了方法的可行性和有效性。     

面向空间目标相对轨道确定的编队优化方法

针对提高空间目标相对轨道确定精度的问题，研究了在主航天器轨道运动受限时，通过设计和优化辅航天器相对轨道要素的航天器编队优化方法。首先，介绍了基于扩展卡尔曼滤波的双视线测量相对轨道确定方法；之后，通过研究双视线测量下的空间目标定位误差变化规律，得到了减小定位误差的角度条件；然后，通过分析该角度条件和辅航天器相对轨道要素的关系，设计并采用遗传算法优化了辅航天器相对轨道；最后，数学仿真结果表明，设计的编队可保证目标相对位置估计误差收敛，优化后的编队可使目标相对位置估计误差减小至0.3 km且不超过1.2 km。     

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

The problem of optimal control is considered for the motion of the center of mass of a spacecraft in a central Newtonian gravitational field. For solving the problem, two variants of the equations of motion for the spacecraft center of mass are used, written in rotating coordinate systems. Both the variants have a quaternion variable among the phase variables. In the first variant this variable characterizes the orientation of an instantaneous orbit of the spacecraft and (simultaneously) the spacecraft location in this orbit, while in the second variant only the instantaneous orbit orientation is specified by it. The suggested equations are convenient in the respect that they allow the general three-dimensional problem of optimal control by the motion of the spacecraft center of mass to be considered as a composition of two interrelated problems. In the first variant these problems are (1) the problem of control of the shape and size of the spacecraft orbit and (2) the problem of control of the orientation of a spacecraft orbit and the spacecraft location in this orbit. The second variant treats (1) the problem of control of the shape and size of the spacecraft orbit and the orbit location of the spacecraft and (2) the problem of control of the orientation of the spacecraft orbit. The use of quaternion variables makes this consideration most efficient. The problem of optimal control is solved on the basis of the maximum principle. Several first integrals of the systems of equations of the boundary value problems of the maximum principle are found. Transformations are suggested that reduce the dimensions of the systems of differential equations of boundary value problems (without complicating them). Geometrical interpretations are given to the transformations and first integrals. The relation of the vectorial first integral of one of the derived systems of equations (which is an analog of the well-known vectorial first integral of the studied problem of optimal control) with the found quaternion first integral is considered. In this paper, which is the first part of the work, we consider the models of motion of the spacecraft center of mass that employ quaternion variables. The problem of optimal control by the motion of the spacecraft center of mass is investigated on the basis of the first variant of equations of motion. An example of a numerical solution of the problem is given.     

基于追逃博弈的非合作目标接近控制

针对追踪航天器接近非合作目标任务中的相对位置控制问题,提出了一种基于线性二次型追逃博弈的控制方法。首先,将非合作目标接近问题转化为二人追逃博弈问题,并设计了二次型目标函数。其次,结合相对运动模型,建立了线性二次型追逃博弈模型。为得到纳什均衡策略,将HJ方程转化为代数黎卡提方程,并给出了李雅普诺夫迭代法对其求解。最后,对博弈控制方法的有效性进行仿真验证,结果表明,该方法能够在非合作目标机动时实现轨道接近控制。