轨道机动过程中推力加速度的实时最小方差估计

飞行器轨道机动过程中，为跟踪、定位机动目标和干预机动控制过程，需要统计处理离散的雷达观测量实时估计推进发动机的推力，进而确定飞行器的瞬时轨道参数。本文所述算法是该工程问题的探讨和解决方案。文章建立了轨道机动过程中连续变质量运动模型和离散雷达量测模型，推进发动机的质量秒耗量作为表征推力加速度的一个近似常量，应用扩展卡尔曼滤波对离散的雷达测量数据进行顺序统计处理给出秒耗量的最小方差估计；文章详细地推导了线性化量模型的变分方程和观测矩阵；仿真结果表明该算法能快速、准确地估计推进发动机的质量秒耗量和向机动目标施加的实际推力。     

基于分段连续推力的晕轨道控制方法

基于小偏差理论,推导了三体动力学模型的误差线性模型,并将此假设下的控制归纳为终端固定的有限时间调节器问题。在此基础上,进一步利用该最优控制方法推导了晕轨道周期内的连续小推力控制方案,验证了控制加速度及状态量的收敛。同时针对整周期控制方式在超调后状态量收敛速度慢的问题,通过分段连续推力控制模式(Sectional Continuous Thrust Control,SCTC)来近似瞬时脉冲推力控制模式,给出了最短分段控制时间的计算方法。实验表明,SCTC模式加快了轨道状态的收敛速度。对于km级入轨偏差,通过1次控制即可使实际轨道收敛至标称轨道。     

卫星星座整网轨道确定分析与仿真

编队飞行的卫星或卫星星座对轨道确定自主性和精度提出了较高要求。针对这个问题,通过建立星座的轨道动力学模型和星间观测的测量模型,将星座中的星间观测数据和地面观测数据融合起来,将待估的卫星轨道参数和部分动力学参数进行适当的分类,研究卫星星座整网轨道确定的新方法,并在理论上分析了整网定轨方法能提高定轨精度的原因;最后采用自主开发的卫星星座整网轨道确定软件进行了仿真计算。计算表明,该方法能有效地减少对地面站的依赖,并较大幅度提高定轨时卫星绝对位置和相对位置精度。
     

基于半参数回归模型的双星系统定轨算法及精度分析

天基测控系统是航天测控的一个发展趋势.给出了双星定位系统的定轨原理;建立了基于半参数回归的双星系统定轨模型,包括对卫星轨道摄动误差的基函数表示和观测残差的函数拟合等;给出了基于半参数回归的轨道估计算法及计算步骤;并从理论上分析了基于半参数回归模型的轨道估计算法能有效的消除非线性因素对参数估计性能和精度的影响,其定轨精度优于经典的最小二乘处理算法;最后通过对卫星仿真观测数据的处理以及卫星定轨精度的分析,表明该算法确实有效,在相同仿真条件下,定轨位置精度和速度精度分别提高了41.5%和41.3%.     

小推力地球卫星圆轨道同轨调相设计方法研究

在研究小推力地球卫星圆轨道同轨调相任务设计问题的基础上,提出了一种半解析调相参数分析方法,并据此发展了一种高效的精确设计方法.首先,根据推力方向对卫星相位角的影响规律,采用推力方向假设和轨道平均技术推导了调相轨道参数满足的函数关系,通过微分修正可快速获得调相轨道的关键参数;然后,基于摄动轨道动力学模型,通过对控制量进行离散化建立了复杂约束条件下的燃料最省调相轨道设计模型,并以初始分析结果为初值,采用序列二次规划算法进行求解;最后,以地球同步轨道调相任务为例对所提方法进行了数值验证.数值仿真结果表明:提出的初始分析方法可为调相轨道设计提供合理的初值猜测,发展的鲁棒设计方法可有效用于摄动模型复杂约束下的小推力调相轨道设计.     

近地卫星简化轨道预报方法研究

基于航天器轨道动力学的基本原理对轨道动力学模型简化,以保持模型精度,同时降低计算负担.某些简化的天文学模型包括岁差、章动、恒星时模型等.针对轨道坐标系统、轨道动力学模型等,利用引力加速度估计函数(GAAF)代替传统的计算量过大的球谐引力场函数模型.其它简化技术包括日月解析星历模型代替DE405模型、简化的大气密度模型以及用于轨道积分的Bulirsh-stoer·积分器等,可进一步减少计算负担.算例表明,本方法作为一种高精度的轨道积分器,可用于星上计算或者轨道蒙特卡罗仿真.计算结果表明其计算时间远小于全尺度模型的1%,而精度相当.算法由CHAMP卫星的真实星上GPS观测数据验证.     

单太阳翼放气干扰力矩分析

针对静止轨道单太阳翼卫星在转移轨道段,太阳翼展开对日定向稳定控制过程中,太阳翼结构的初期放气干扰力矩对姿态影响的问题,利用卫星姿态动力学模型、姿态变化和推力器等参数,估计太阳翼放气产生的干扰力矩。通过理论仿真,验证了估计方法的正确性。以风云四号(FY-4)卫星为例,在轨实时估计结果表明:FY-4卫星太阳翼放气持续时间近11个小时,初期最大干扰力矩达37mN·m,比光压力矩约大2个量级,其对姿态影响不可忽视。文章的研究结果可为地面控制系统设计和在轨控制参数修改提供数据参考。     

基于轨道动力学的椭圆轨道悬停方法

连续有限推力条件下,基于动力学原理设计了伴随卫星相对于椭圆轨道的参考卫星在任意位置实现悬停的方法。给出了对任意椭圆参考轨道实现悬停的开环控制律,推导了一个周期内的速度增量计算公式。特别分析了参考卫星为“Molniya”轨道时,实现悬停需要的控制推力及速度增量。仿真结果表明,“Molniya”轨道正下方 1 km 的悬停伴飞,一个轨道周期时间内连续有限推力发动机需要产生的速度增量为10.317 m／s。文章提出的方法也可用于椭圆轨道的空间圆或水平圆等非自然编队构型设计。     

用卫星对卫星进行多普勒测量实现星上定轨的方法

利用静止卫星跟踪测量近地卫星,并根据在近地卫星上所获得的多普勒测量信息实现滤波定轨。考虑到星上计算机速度和容量的限制,以卫星轨道平均根数作为状态变量建立轨道动力学模型,并采用推广卡尔曼滤波器给出近地卫星轨道根数的估计方法。其仿真结果表明,采用这种技术能够实现适当精度的轨道估计。     

M估计在卫星轨道确定中的应用

基于卫星测控的测量方程和动力学方程,分析了传统定轨策略中观测方程误差模型的非正态性,推导了定轨方程,提出了一种基于M估计的卫星定轨方法,证明了相关的性质。仿真结果表明：基于M估计的卫星定轨方法可明显抑制粗差影响,提高卫星轨道确定精度。     

连续推力机动轨道优化设计的贝塞尔曲线法

提出一种基于贝塞尔曲线的平面机动轨道设计方法。该方法将贝塞尔曲线方程与轨道形状方程相结合，利用得到的复合函数作为轨道方程来对机动轨道进行数学描述；通过约束条件获得可行的机动轨道族，由控制点设计给出具体的优化变量，将累积速度增量作为优化指标函数；并利用优化算法完成参数优化，从而得到最优机动轨道。最后针对设计的机动轨道推力峰值较大的问题，进一步提出了分段贝塞尔曲线法，在降低推力峰值的同时，可进一步降低燃料消耗，并在平面机动转移轨道设计的基础上，通过梯度下降对自由控制点进行修正，解决了考虑时间约束的平面轨道交会问题。     

一种新的变结构制导律研究

在非线性相对运动学基础上提出了一种新的变结构制导律。变结构制导律仅利用了目标加速度界限的信息,因而在拦截过程中,并不需要精确的测量目标加速度,也就是取得了对目标机动的鲁棒性。在执行上,变结构制导律仅使用了视线转率测量值,因而和比例导引同样简单。仿真结果表明,所提出的制导律与比例导引相比有较大的性能改善。     

某型号大推力火箭发动机试验推力测量不确定度评定

根据某型号大推力火箭发动机试验推力测量系统的工作原理和组成、计量标准量值传递关系和系统低温调试结果,确定推力测量系统的不确定度来源,通过进一步的误差分析并应用误差计算理论对系统不确定度进行评定,得出该系统测量不确定度作为推力测量准确性依据。     

导弹直接侧向力机动突防方案设计

针对敌方不同来袭方位的拦截弹,提出了一种可用于导弹末段侧向力机动的突防方案。在建立拦截弹和导弹的相对运动模型基础上给出了脱靶量与视线转率、相对距离和机动加速度的解析表达式。以拦截弹在视线系Z向上的脱靶量达到最大值作为性能指标,对机动发动机开启时刻进行优化确定。同时通过分析机动发动机与Y向舵偏的不同组合方式对导弹的速度增量及交会角的影响,确定机动发动机的推力方向应与气动力方向一致,并使交会角明显减小。仿真结果表明,此方案能使导弹最终落入拦截弹杀伤半径10 m之外,成功实现突防。     

On the problem of optimal control of the thrust value of the electric propulsion rocket with solar energy source

Under consideration is the optimal control problem on a spacecraft motion in Newtonian central gravity field. With the use of the mathematical model of electrojet propulsion device (EPD) with solar energy source, proposed earlier in paper [1], the dependence of the EPD working substance choice on both the duration of the given dynamic maneuver and the propellant expenditures for its fulfillment is investigated. The efficiency evaluation is carrying out of optimal control of variable valued thrust as well as that for relay mode thrust and relay mode thrust with optimal fixed thrust value.     

一种基于单站仅测角观测的弹道射向估计算法

针对单站仅测角条件下的弹道射向估计问题,提出了一种新的基于推力加速度模板的弹道射向估计算法。首先,建立以射向为待估参数的弹道平面切割模型,获得一组备选弹道曲线。其次,通过UKF算法从每条备选弹道曲线中估计出推力加速度曲线。最后,将得到的推力加速度曲线与推力加速度模板进行匹配,进而得到弹道射向估计结果。仿真结果验证了该算法的有效性。     

测量不确定的充液航天器自适应鲁棒容错控制

针对三轴稳定充液航天器控制系统中同时存在外部未知干扰,参数不确定,测量不确定和执行器部分失效故障的鲁棒容错姿态机动控制问题进行研究。首先将部分充液贮箱内的晃动液体燃料等效为粘性球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出航天器的刚-液耦合动力学方程。然后将变结构控制策略结合范数自适应估计算法设计了自适应鲁棒容错控制器,其中设计的范数自适应控制算法用于有效估计由测量不确定产生的集总扰动的未知上界;自适应估计算法则用于有效估计贮箱内的液体晃动位移变量。提出的控制策略不依赖精确的故障信息,并且在故障信息值不确定的情况下可以实现期望的姿态机动任务。基于Lyapunov稳定性分析方法证明了容错闭环系统状态变量的一致最终有界性。采用数值方法验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性。     

直接侧向力控制导弹的自适应模糊变结构末制导律设计

针对采用直接侧向力控制的敏捷性导弹，提出了一种适州于拦截大机动目标的自适应模糊变结构末制导律。由于采用了直接侧向力控制方式，提高导弹末段机动过载和快速响应能力的同时，也使得系统具有高度耦合非线性和参数不确定性。采用所设计的制导律在制导系统中不确定性函数为未知的情况下，利用自适应模糊系统的万能逼近能力以任意精度进行逼近，由此克服了模型小确定性和外界干扰对制导系统的影响。并通过引入目标最大机动加速度自适应算法，使得这种制导律中的变结构项具有变增益能力，能够适应目标各类机动的情况。仿真结果表明，该制导律对大机动目标具有较强的鲁棒性，并对各类机动目标均有较高的制导精度。     

The Motion of a Material Point in a Newtonian Field under the Action of Equiangular Thrust

The problems of investigation and optimization of the motion of spacecraft are extensively discussed in the literature. Nevertheless, in many cases a large variety of qualitative characteristics of their motion and of the form of their trajectories are still unclear. In this paper we consider a plane equiangular acceleration of a spacecraft both in a Newtonian field and in its absence (at a large distance from the center of attraction). The general equation of a trajectory of plane acceleration is presented with the introduction of a new variable, an index of an exponent, which allows one to obtain convenient solutions at different values of the time-independent angle of inclination of the vector of thrust to the spacecraft's radius vector (i.e., when equiangular acceleration takes place). Asymptotic solutions are constructed and an interesting fact is revealed. Namely, it is shown that when the center of attraction exists or is absent, for all initial conditions the trajectories appearing at the above equiangular acceleration of a material point tend to the standard logarithmic spirals at a large distance from the center. Specifically, when the value of transverse (perpendicular to the radius vector) thrust is constant, there appears a logarithmic spiral with an angle of inclination to the radius vector equal to 35.264°. Different forms of the trajectory of equiangular acceleration of spacecraft at a low thrust are also studied. The results obtained can be useful for the investigation and choice of optimum space trajectories.