近距离航天器相对轨道的鲁棒自适应控制

针对近距离航天器的相对轨道提出了一种鲁棒自适应控制律。在追踪星本体坐标系中考虑航天器的相对运动。首先,在转动惯量未知的情形下提出了自适应控制律,保证系统的全局渐近稳定性。其次,将两星地心引力加速度之差作为干扰加速度,并假设干扰有未知上界,对自适应控制律进行修正,提出了鲁棒自适应律,使得系统是全局一致最终有界稳定的。控制律的设计不需要绝对轨道信息,适用于任意轨道。对航天器编队飞行和空间交会两种情形分别进行了仿真分析,结果表明所设计的控制律是合理有效的。     

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。     

编队卫星相对运动描述方法综述

对于近地轨道卫星编队飞行的相对运动理论研究,可以采用的方法包括直角坐标法和 轨道要素法。利用直角坐标法得到的相对运动动力学方程可以用于编队队形控制研究,轨道 要素法能够给出相对运动的运动学描述,便于定量研究摄动影响和进行编队队形设计。分析 了直角坐标法在描述卫星长期编队飞行方面的局限性,综述了利用轨道要素描述编队卫星相 对运动的各种研究方法,包括轨道要素差法、相对轨道要素法和参照轨道要素法等。     

椭圆轨道卫星编队飞行的构型设计

研究了椭圆轨道卫星编队飞行的构型设计问题。首先给出常用的两类相对运动方程,即基于相对轨道状态的相对运动方程和基于轨道根数的相对运动方程,并推导出两类相对运动方程之间的对应关系。然后,针对卫星编队飞行的构型设计问题,结合两类相对运动方程的优点,提出一种简化的编队飞行构型设计方法,避免了复杂的计算。最后通过数学仿真进行了验证。     

带有控制增益自校正的甚低轨道卫星自主轨道维持方法

为实现甚低轨道的长期稳定运行,分析了甚低轨道的摄动特性,设计了一种带有轨控增益校正的自主轨道维持方法。该方法可通过前一次轨控的结果对轨控增益进行校正,提高轨控算法对卫星质量、推力大小等不确定因素的鲁棒性,逐渐提高轨道控制的精度。对轨道控制的频率、每次轨控的时间长度及对偏心率的影响进行了分析,仿真结果表明:自主轨道维持方法能实现甚低轨道高度维持控制,在参数不确定的情况下,与传统算法相比可大幅提高轨道控制的精度,确保平均偏心率矢量收敛,满足甚低轨道卫星的长寿命要求。所设计的算法结构简单,运算量小,可由目前的星载计算机实现。     

多冲量轨道交会问题算法研究

针对平面内轨道交会问题给出了一种多冲量轨道控制算法,其融合了半长轴、偏心率、近地点幅角联合控制方法和轨道相位捕获控制方法。首先建立了等点火时长计算模型和理论起控时刻计算模型,在此基础上设计了控制序列自动调整算法。基于该算法,在给定测控条件、单次控制最大点火时长等约束条件下,可快速求解实现与目标航天器轨道交会的多冲量控制策略。最后,通过轨道交会问题算例,验证了算法的有效性。该方法可应用于轨迹捕获、航天器组网控制、航天器交会远程导引等航天场景。     

编队飞行卫星群的轨道动力学特性与构形设计

编队飞行卫星群由一些相对距离近的小卫星组成,在严格的条件下,若干颗伴随卫星环绕一颗中心卫星作相对运动,相对轨道为特别性质的椭圆,本文研究了编队飞行卫星群的轨道动力学特性,提出了编队飞行的轨道构形设计的原则和方法。     

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.     

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。     

小脉冲约束下的近圆轨道控制方法研究

对于近圆轨道平面内参数的控制,采用传统的双脉冲控制方法,一条轨道圈内至多只能进行两次轨道控制,在单次控制小脉冲约束下,整个控制周期会很长。文章针对单次控制小脉冲约束,提出了一种增加一条轨道圈内的轨道控制次数的近圆轨道平面内参数控制方法,达到了相对双脉冲变轨可以大幅缩短整个控制周期的目的。     

Solar sail formation flying on an inclined Earth orbit

The versatility of solar sail propulsion can be utilized in the exploration of Earth’s magnetotail. An inclined periodic orbit with respect to ecliptic is possible for a solar sail with its orbital plane in synchronous rotation with the sun. Solar sail evolving on such an inclined orbit is free of Earth shadow. Formation flying of a cluster of sails around such an inclined periodic orbit is investigated in this paper. The solution of the first-order approximation to the linear relative motion is used to qualitatively analyze the configurations of relative orbits. Since the relative motion is unstable, active control is necessary to keep a periodic relative motion. A typical LQR method is employed to stabilize the relative motion. The design method is validated by numerical examples.     

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。     

航天器编队飞行的周期脉冲控制与燃料分析

针对航天器编队飞行,建立了小偏心率时的相对运动关系,获得了轨道根数差与编队构型参数间的相互转化关系。对编队飞行采用周期脉冲控制方法,在1个轨道周期内消除轨道根数偏差。定量分析了编队重构和J2项摄动下构型长期保持控制的燃料消耗。仿真结果验证了控制方法和燃料分析的准确性。     

Application of SDRE technique to orbital and attitude control of spacecraft formation flying

This paper proposes the application of a nonlinear control technique for coupled orbital and attitude relative motion of formation flying. Recently, mission concepts based on the formations of spacecraft that require an increased performance level for in-space maneuvers and operations, have been proposed. In order to guarantee the required performance level, those missions will be characterized by very low inter-satellite distance and demanding relative pointing requirements. Therefore, an autonomous control with high accuracy will be required, both for the control of relative distance and relative attitude. The control system proposed in this work is based on the solution of the State-Dependent Riccati Equation (SDRE), which is one of the more promising nonlinear techniques for regulating nonlinear systems in all the major branches of engineering. The coupling of the relative orbital and attitude motion is obtained considering the same set of thrusters for the control of both orbital and attitude relative dynamics. In addition, the SDRE algorithm is implemented with a timing update strategy both for the controller and the proposed nonlinear filter. The proposed control system approach has been applied to the design of a nonlinear controller for an up-to-date formation mission, which is ESA Proba-3. Numerical simulations considering a tracking signal for both orbital and attitude relative maneuver during an operative orbit of the mission are presented.     

InSAR卫星编队构型的e/i矢量设计方法

根据编队合成孔径雷达干涉（InSAR）卫星的轨道特点和星间紧密编队的特性,引入e/i矢量概念,推导了用e/i矢量表示的编队卫星相对运动学方程,分析了在满足测量基线条件和星间距离条件下编队构型设计约束,并给出了能实现全球测量的编队构型设计结果。对获得的编队飞行轨道参数的数学仿真结果表明：设计的编队构型正确。     

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Lyapunov直接法的航天器近程导引控制律

基于C-W方程的相对动力学模型,用Lyapunov直接法设计了一种运行于近圆轨道航天器的近程导引控制律,给出了控制模型。该控制律简单有效,无需求解系统方程即可分析和判断近程导引的稳定性进而施加控制。仿真结果表明,该法的导引精度可满足要求,其收敛时间和燃料消耗也在可接受的范围内。     

用于对地观测定位的编队飞行卫星群轨道构形设计

编队飞行卫星群是一组小卫星,它们具有短的相对距离、相等的轨道半长轴和微小差别的其它轨道要素,它们形成相互伴随运动,并且具有一定的构形。提出将编队飞行卫星群的轨道设计技术应用于对地观测定位卫星系统中。根据设想的要求,针对由四颗伴随卫星围绕基准卫星(或一个虚拟的中心)飞行的轨道设计案例,初步分析了编队飞行卫星群的构形保持,地球引力和大气阻力的摄动影响等问题。