基于多目标优化的微纳卫星群姿态控制

在微纳卫星群姿态控制中,要求多个卫星相互协同,能够快速达到期望的目标姿态,同时要求能耗最小.本文提出微纳卫星群姿态控制的多目标优化模型,以同时优化卫星姿态的角度误差和降低能耗2个性能指标函数.基于MATLAB用弹性约束法求解该优化问题,得到了多目标优化的帕累托前沿,并给出了其相应的卫星姿态,实现了多个微纳卫星姿态机动控制和协同控制.仿真结果表明本文运用的多目标优化方法在微纳卫星姿态机动控制和协同控制中是有效的.     

基于准流形方法日地系L3点转移轨道设计

针对深空探测中轨道转移时间长且能量消耗较大的问题,提出基于准流形实现从地球停泊轨道到日地系L3点转移轨道的设计方法。在日地限制性三体问题模型下,在L1点或L2点Halo轨道上施加扰动推力,构造准流形,利用其非线性三体动力学特性,通过霍曼转移轨道与近地轨道进行拼接,使航天器进入准流形后能够无动力滑行到L3点附近区域。在准流形与L3点周期轨道交点,施加速度脉冲,使航天器进入相应周期轨道,从而完成轨道转移。仿真结果表明,利用该方法所得结果与基于不变流形的转移轨道相比,能将速度增量从4398m/s减少为4014m/s,并将转移时间从9年以上缩短到7.3年以内,有效地提高了航天器的工作效率。     

日地系L2点与日火系L1点转移轨道设计

将太阳-地球-火星-飞行器组成的四体问题分解成由太阳-地球-飞行器和太阳-火星-飞行器两个共面圆形限制性三体问题,设计日地系L2点与日火系L1点Lyapunov轨道之间的转移轨道,该转移轨道可以作为探测火星时的低能中间转移轨道.采用Richardson三阶近似解作为初始值,运用微分修正方法分别得到两个不同三体系统下拉格朗日点的精确Lyapunov轨道.基于Lyapunov轨道不变流形以及微分修正方法,设计了日地系L2点与日火系L1点间的转移轨道.将所得结果与基于Halo轨道不变流形设计的转移轨道进行了对比.结论表明:利用Lyapunov轨道不变形设计探火中间转移轨道相较于利用Halo轨道不变流形设计探火中间转移轨道在能量消耗以及飞行时间上都存在优势.     

目标飞行器交会对接轨道的设计和控制

根据目标飞行器轨道高度和追踪飞行器入轨轨道高度,给出了目标飞行器交会对接轨道初始相位的设计方法。针对目标飞行器交会对接轨道控制要求,建立了共面相位计算模型以及轨道相位、高度和圆化度的多目标参数求解模型。基于定轨误差、轨道控制误差和轨道预报误差的调相时间分析,制定了目标飞行器调相控制策略。仿真计算表明,实现的目标飞行器交会对接轨道满足要求,验证了调相控制量优化原则的正确性,并对标称共面与虚拟共面的共面时刻和共面相位进行了比较。所提出的计算模型、控制策略和分析方法适用于目标飞行器交会对接轨道设计和控制实施。     

小天体安全着陆与表面探测控制方法研究

针对探测器在小天体表面的弹跳式运动特点,提出一种表面运动控制方法。首先基于简化的运动模型,计算出探测器进行弹跳式转移所需的初始速度;然后通过对轨道方程的线性化,基于线性时变系统的求解方程,采用脉冲控制对每次弹跳的运动轨迹进行修正,增加控制精度;并分析转移距离与弹跳次数的关系;最后,以小行星1620 Geographos作为目标小天体进行仿真分析,验证了控制算法的有效性。结果表明,该控制方法可以应用于探测器在附着到小天体表面后的弹跳转移,也适用于弱引力环境下探测器的弹跳式探测。     

小天体探测发展态势

正小天体探测是当前空间探测的一个重要方向,开展小天体探测不仅可以解决众多基础科学问题,还有助于避免小天体撞击地球、引领高新技术和航天工业的发展、提升航天大国地位等。1小天体探测的科学目标经历了30余年的发展,小天体探测实现飞越、环绕、着陆和采样返回等探测方式,探测程度不断推进,其科学目标也随之不断深入。本文按照时间历程、探测方式分析小天体科学目标的演变情况,及其演变规律和探测重点。     

交会对接光学成像敏感器中合作目标的分析与设计

交会对接技术是实现太空梭、太空平台和空间运输系统的装配、回收、补给、维修、太空人交换及营救等在轨服务的先决条件，交会对接光学成像敏感器是两航天器交会对接近距离平移靠拢段唯一能够提供六自由度相对导航信息的敏感器，由安装于追踪飞行器上的相机和安装于目标飞行器上的合作目标组成，采用角反射器作为合作目标标志，完成两飞行器间的相对位姿的解算.对其需求分析、设计方案、回光能量测试等进行了讨论，该方案已在神舟十一号载人飞船、天舟一号货运飞船与天宫二号的交会对接任务中成功验证，后续针对空间站及光学舱任务进行适应性修改.     

小天体探测自主绕飞智能规划建模

针对小天体探测存在显著通讯延迟、任务执行效率低等问题,梳理了小天体探测智能规划需求,面向自主绕飞任务开展了智能规划研究。首先将该问题分解为平台任务智能规划和载荷任务智能规划两部分。针对平台任务智能规划问题,基于PDDL语言设计了探测器自主管理知识模型,提出了基于状态时间线扩展的求解算法;针对任务智能规划问题,建立了基于CSP问题的智能规划数学模型,提出了基于遗传策略的求解算法。最后开发了仿真系统进行算法验证。仿真结果表明:该方法可综合平台与载荷需求,在存储、能源、通信等多种约束条件下,对绕飞探测任务进行统一的任务规划,并得到指令序列和动作序列,能够提高任务管控的智能化程度,降低任务操作的复杂性。     

微纳卫星L1点Halo轨道转移轨道设计

针对地月空间探测任务的高风险、高成本,提出了利用微纳卫星完成地月空间环境监测、未知空间探索及地月空间动力学验证的方案,从而为未来建立地月空间运输系统建立良好基础。借助地月空间三体动力学和小推力轨道设计中的直接法,设计了针对微纳卫星的低能耗地月转移方案。结果表明:微纳卫星借助火箭上面级,从GEO轨道出发飞向L1点Halo轨道,所需速度增量为1.033 km/s,转移时间为40.02 d;不借助火箭上面级,所需速度增量为1.397 5 km/s,转移时间为48.7 d。     

一种微波应答机模拟器的实现方法研究

微波应答机是目标飞行器端配置的重要交会对接合作目标,为确保其在轨功能和性能稳定,地面测试中需配置专用的模拟器对其进行测试,介绍了一种应答机模拟器的实现方法,分析了模拟器的功能、性能要求;基于模块化的设计思想,给出了模拟器硬件、软件实现方案.最后对按照该方案设计的模拟器工作过程及测试情况进行了介绍.     

飞向晕轨道的探测器轨道优化

晕轨道的稳定流形为从地球到晕轨道的转移轨道设计提供了便利．以往都采用在晕轨道上的目标点施加脉冲,这样,稳定流形只是为转移轨道的设计提供一个初始猜想,探测器并没有运行在稳定流形上,因而并未真正利用稳定流形节省燃料的优势．利用基于序优化理论的微分修正法,研究从晕轨道近地点稳定流形上不同点进入稳定流形所需要的燃料消耗,寻找燃耗最少的转移轨道．仿真表明,对于晕轨道近地点入轨,找到的稳定流形射入点机动比以往的晕轨道入轨点机动节省约33％的燃料消耗．此外,还对晕轨道上不同入轨点的入轨代价进行了研究,得到了晕轨道近地点入轨的最小燃耗解．     

Phasing with near rectilinear Halo orbits: Design and comparison

In the next future, space agencies are planning to return to the Moon. The objective is to assemble an orbiting space station, called Gateway, on a Near Rectilinear Halo Orbit around the Moon as a base for future Moon and deep space missions. Within this framework, multiple side missions will be planned to sustain the Gateway (Artemis mission). The proposed work is thought in framework of the preliminary design of future cargo missions, in particular on the design of an efficient phasing trajectory, under the Circular Restricted Three body problem hypotheses, to bring a cargo vehicle from the end of the Earth-Moon transfer to the beginning of the proximity operations such as rendezvous and docking with the space station. The work aims covering the lack of literature in phasing trajectories with the NRHO by proposing three different strategies to connect the Earth-Moon transfer trajectory with the proximity operations. The three strategies are classified based on the choice of the parking orbits or the choice of the manifolds. Two strategies use butterfly and Halo orbits to park the vehicle before transferring to the target orbit. The third strategy, instead, uses manifolds to allow a direct phasing. In the paper, the three innovative strategies are designed and compare in a specific scenario.     

基于电推进卫星飞往Halo轨道的转移轨道研究

利用电推进及轨道力学的特性实现节能优化,将限制性三体问题中的稳定不变流形与小推力轨道优化相结合,研究全电推进卫星从地球停泊轨道飞向日地拉格朗日L2点Halo轨道的低消耗转移轨道.航天器的转移轨道分为逃逸段、拼接段与无动力滑行段.在逃逸段卫星沿速度方向加速脱离地球引力,拼接段采用Radau伪谱法进行优化,使航天器以最短时间到达目标Halo轨道的稳定不变流形上,随后航天器电推进系统关机,沿稳定不变流形无动力滑行至目标轨道.基于雅克比积分常数给出拼接段轨道初始猜测值,以先提高切向方向航天器能量避免了全程优化离散点过多难以求解的问题.仿真结果表明,该方法收敛速度较快,对平动点工程任务的初期轨道特性计算具有实际意义.      

基于三体系统平动点轨道的环日全景任务轨道设计

在空间开展太阳观测是研究太阳活动周、太阳爆发、极端天气等事件起源的重要手段。环日全景探测计划是为实现从黄道面360°全方位观察太阳行星际空间而提出的。本文针对环日全景探测计划,构建了基于三体系统平动点低能量轨道的环日全景轨道部署方法。该方法以日–地L1/L2点Halo轨道幅值及Halo轨道离轨点为变量,以转移轨道飞行时间、入轨机动大小为评价指标,基于三体系统不变流形构建环日全景的转移轨道,并开展轨道优化设计。采用等高线图对设计变量及任务成本进行全局分析。仿真计算表明,轨道部署无法同时满足飞行时间最短与入轨机动最小的要求。设计了轨道机动约束条件下的最优飞行时间解,并给出了基于长三甲运载火箭的一箭双星发射及入轨方案。      

基于朝向约束和重识别特征的目标轨迹关联方法

基于检测关联和深度学习的目标轨迹关联方法是计算机视觉领域的研究热点之一，但现有方法设计中缺乏有效的时空约束，且目标表观特征泛化能力不足，在目标朝向差异明显的情况下会发生识别错误，在目标轨迹关联时会导致频繁的ID切换和错误关联。针对该问题，提出了一种基于朝向约束和重识别特征的目标轨迹关联方法。将行人朝向判别引入行人重识别中，提出了一种具有朝向约束力的行人重识别网络模型，提升了目标特征的表示能力。结合目标朝向、卡尔曼滤波得到的位置信息、重叠面积等时空特征，提出一种基于朝向约束的分层轨迹关联模型，得到单相机内的目标轨迹。在跨相机场景中，通过引入一种简单有效的双向竞争匹配机制，实现了目标轨迹的有效关联。实验结果表明: 所提方法在MOT数据集上度量指标优于多种方法，能够减少频繁的ID交换，有效解决了相似目标相向而行时的错误关联；帧率达到19.6帧/s，能够满足近实时场景下的使用要求。      

Parameterized design of abort trajectories with a lunar flyby for a crewed mission

This article proposes an analytical preliminary design method for abort trajectory with a lunar flyby and the trajectory ergodic representation based on parameterization, as well as their application in studying the abort trajectories’ characteristics. First, by introducing two parameters, the perilune altitude and the perilune transfer time, the preliminary solution is developed parametrically using pseudostate theory to connect two special Lambert processes. The fast convergence of the improved differential correction under the high-fidelity gravity field verifies the accuracy of the proposed preliminary design method. Next, the two parameters are regarded as a set of variables to define an abort trajectory. Based on this, an ergodic representation of the abort trajectory with a certain abort time is yielded using the proposed design method, which offers a global view of the feasible abort trajectories. In addition, the influences of some factors on the performance of these abort trajectories are investigated based on the proposed design method and ergodic representation. The simulation results show that the abort time and the transfer time of the nominal trajectory significantly affect the ergodic representation and characteristics of the abort trajectory.     

考虑月球升交点黄经的地月低能转移轨道

地月转移轨道研究的基本模型主要是限制性二体模型和限制性三体模型。在限制性三体建模下,基于轨道分类理论的地月脉冲变轨比传统的霍曼变轨节省了更多的燃料(至少13%以上)。单独的"地球-月球-飞行器"的限制性三体问题无法应用轨道分类的理论进行轨道设计,必须加入太阳。文章考虑了月球升交点赤经、黄白交角,以及正确的地月系统稳定流形的方向,整个"太阳-地球-月球-飞行器"系统拆分为"地球-月球-飞行器"的平面圆型限制性三体问题,和"太阳-地球-飞行器"三维圆型限制性三体问题进行分析,并利用Matlab仿真验证了方案的可行性。     

一种小推力借力飞行转移轨道初始设计方法

提出一种基于正弦指数函数的小推力借力飞行转移轨道初始设计方法。建立极坐标形式的正弦指数函数表达式,用于模拟小推力转移轨道,并用绕圈参数和飞行路径角对转移轨道的参数进行表征;在约束条件下对转移轨道参数进行离散化处理,求解转移轨道与目标星投射轨道在参考面内的交点,计算到达目标轨道时刻的极角,进而得出小推力转移轨道的初始设计参数;设计了地球—木星的火星借力小推力转移轨道,仿真结果验证了该方法在小推力转移轨道初始设计中的快速性与准确性。     

Low-energy near Earth asteroid capture using Earth flybys and aerobraking

Since the Sun-Earth libration points L₁ and L₂ are regarded as ideal locations for space science missions and candidate gateways for future crewed interplanetary missions, capturing near-Earth asteroids (NEAs) around the Sun-Earth L₁/L₂ points has generated significant interest. Therefore, this paper proposes the concept of coupling together a flyby of the Earth and then capturing small NEAs onto Sun–Earth L₁/L₂ periodic orbits. In this capture strategy, the Sun-Earth circular restricted three-body problem (CRTBP) is used to calculate target Lypaunov orbits and their invariant manifolds. A periapsis map is then employed to determine the required perigee of the Earth flyby. Moreover, depending on the perigee distance of the flyby, Earth flybys with and without aerobraking are investigated to design a transfer trajectory capturing a small NEA from its initial orbit to the stable manifolds associated with Sun-Earth L₁/L₂ periodic orbits. Finally, a global optimization is carried out, based on a detailed design procedure for NEA capture using an Earth flyby. Results show that the NEA capture strategies using an Earth flyby with and without aerobraking both have the potential to be of lower cost in terms of energy requirements than a direct NEA capture strategy without the Earth flyby. Moreover, NEA capture with an Earth flyby also has the potential for a shorter flight time compared to the NEA capture strategy without the Earth flyby.