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。     

椭圆轨道交会、悬停与绕飞的全状态反馈控制

面向大椭圆轨道航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,对大椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,采用幂级数法分别在脉冲推力和常值推力作用两种情况下对系统进行了近似求解。通过对系统解的变换以及对系统状态的重构,给出了大椭圆轨道上的三种交会制导律。脉冲推力作用假设下的脉冲制导类似近圆轨道的Hill制导方法。常值推力作用假设下的全状态反馈制导律则在交会制导、相对悬停和循迹绕飞控制的过程中实现了对相对位置和相对速度的同步控制。通过构造新的系统状态,改进的变系数全状态反馈制导律提高了相对速度的制导精度,降低了相对制导过程中的最大轨控加速度。三种制导律的制导效果通过数学仿真进行了校验和比较,文中给出的方法实现了椭圆轨道上相对交会制导、悬停保持和循迹绕飞控制。     

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。     

航天器多脉冲悬停控制的非线性方法

为解决连续推力空间悬停控制技术对航天器控制推进系统要求较高、工程上难于实现的问题,提出基于Clohessy-Wiltshire方程的多脉冲悬停控制方法。以轨道要素外推的飞行状态非线性预测方法和脉冲悬停控制量优化算法,对悬停脉冲进行了优化,可以实现主动航天器在目标航天器附近任意点的近似稳定悬停。给出的多脉冲悬停控制方法及控制量非线性优化算法考虑了地球非球形引力摄动J2项影响,补偿了Clohessy-Wiltshire方程的线性化误差,能有效提高悬停精度。仿真结果表明,多脉冲悬停控制方法的燃料消耗与连续推力悬停方法相比没有明显增加,不会对主动航天器带来过大的燃料消耗压力。     

空间飞行器视线坐标系悬停最优控制

研究了指定相对位置的共轨道面悬停控制问题.由于空间悬停任务具有时间持续性特点,不可忽略控制模型中存在的地球引力场非线性影响.因此.从精确非线性视线相对运动方程出发,提出了基于θ-D非线性次优算法的悬停闭环控制方法.数值仿真验证了该方法的有效性,消除了初始位置、速度和角度误差,并适用于圆轨道和椭圆轨道上的悬停控制任务.     

空间目标碰撞概率计算方法研究

空间目标碰撞概率的计算是航天器进行空间碎片预警和规避机动的基础,提出了一种基于压缩空间和坐标旋转的碰撞概率计算方法。定义了相遇坐标系和积分计算坐标系,通过坐标转换关系将位置误差协方差投影到相遇坐标系中,旋转相遇坐标系后得到积分计算坐标系,将计算碰撞概率的问题转化为2维概率密度函数在圆域内的积分问题。通过压缩空间的方法,将不等方差概率密度函数在圆域内的积分化为等方差概率密度函数在椭圆域内的积分,然后通过极坐标变换将二重积分化为一重积分形式的概率表达式。对一次空间碎片碰撞的实例计算得到碰撞概率为10 -3量级,表明该方法是正确有效的。     

卫星快速绕飞轨迹设计与制导

快速绕飞在航天器近距离观测、空间目标识别与侦察、在轨服务与应急情况处理活动中具有重要应用。首先建立了适用于目标航天器运行在圆轨道或椭圆轨道的相对运动状态转移矩阵;然后,推导了采用多脉冲控制方法实现与目标航天器共面和异面快速绕飞、进入绕飞和退出绕飞的轨迹设计与制导的模型和算法;最后,分析了绕飞过程速度脉冲需求与绕飞参数的关系。仿真计算结果表明所提出的快速绕飞轨迹设计模型和制导算法可以用于对圆轨道或椭圆轨道目标航天器的共面或异面快速绕飞。     

利用库仑力实现悬停轨道的新方法研究

研究了利用库仑力控制实现近距离悬停轨道的问题。针对常规推力器对悬停任务可能产生的羽流污染,提出了一种使用航天器间库仑力实现悬停轨道的新方法,并研究了使用该方法实现悬停轨道的开环与闭环控制问题。基于所建立的库仑力悬停轨道动力学模型,给出了目标为一般椭圆轨道时的开环控制律。基于线性化的悬停轨道动力学模型,给出了目标轨道为圆轨道时的闭环控制律,并进行了数值仿真,结果表明所建立的动力学模型及所设计的控制律是有效的和可行的。文章提出的方法也可以用于其他类型的航天器近距离相对运动控制问题。     

圆轨道欠驱动航天器编队重构脉冲控制

针对圆轨道径向或迹向欠驱动航天器编队重构控制问题,提出了欠驱动脉冲控制方法。首先,基于圆轨道欠驱动航天器相对运动动力学模型,分析了两类欠驱动条件下的系统可控性和重构可行性。然后,解析推导了两类欠驱动条件下实现重构所需的最少脉冲次数以及对应的速度增量消耗。最后,设计数值仿真算例,验证了本文提出的欠驱动脉冲控制方法的正确性。仿真结果表明:径向和迹向欠驱动条件下均可实现圆轨道编队重构。与全驱动控制方法相比,欠驱动控制方法可有效避免由推力器故障引起的重构任务失效,故而提高了控制系统的灵活性与可靠性。     

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。     

共面快速受控绕飞轨迹设计与控制

绕飞运动在航天器在轨服务与在轨支援、辅助航天员舱外活动、航天器编队飞行、空间交会对接等空间活动中具有重要应用。分析了快速受控绕飞的可行性和主要过程，建立了适用于目标航天器运行在圆轨道上的共面快速绕飞和进入绕飞与退出绕飞的轨迹设计模型，采用多速度脉冲控制方法和等角度，等时间控制方式对绕飞轨迹进行控制。仿真计算结果表明所提出的快速受控绕飞轨迹设计模型和控制方法可以实现对圆轨道目标航天器的共面快速受控绕飞。     

近圆轨道航天器伴随飞行控制方法研究

对近圆轨道上航天器在轨长期伴随飞行的轨道控制方法进行了研究。比较了采用C\|W方 程（Clohess\|Wiltsire）解析解和轨道根数两种方法描述相对运动的相同点和差异。分析 影响航天器长期伴随飞行的各种因素。在总结相对运动规律的情况下设计轨道修正条件,提 出两种伴随飞行的轨道控制方法,并分别对两种方法的控制效果进行理论分析。数学仿真结 果表明两种控制方法都能实现航天器长期伴随飞行,且第二种方法能够较大程度上节省燃料 消耗。     

航天器近距离相对运动轨迹设计与控制

航天器近距离相对运动是当前航天领域的重要研究热点。针对圆(近圆)轨道目标航天器,综合利用C\|W方程、脉冲控制和优化理论,系统地解决了航天器相对运动的轨迹设计与控制问题。从C\|W方程解析解出发,给出了自然轨迹和受限轨迹的数学描述;以此为基础,考虑碰撞避免,研究了全局绕飞轨迹和局部限制轨迹的设计与控制。对于全局绕飞轨迹,研究提出了自然椭圆绕飞、自然螺旋绕飞、单脉冲“水滴”形绕飞、多脉冲圆形绕飞和多脉冲“田径场”形绕飞五种轨迹模式;对于局部限制轨迹,研究提出了自然椭圆V\|bar限制轨迹、单脉冲 R\|bar 限制轨迹和多脉冲任意方位限制轨迹三种模式。分析了每种轨迹模式的形成过程和能量消耗,给出了每种轨迹的设计参数,利用仿真算例验证了有效性。此外,对多脉冲圆形绕飞轨迹和多脉冲任意方位限制轨迹,建立了脉冲位置和脉冲时间间隔的优化模型。
     

航天器碰撞分析方法研究

作为航天器碰撞与规避控制方法研究课题的一部分,为此分别建立了航天器及其它空间目标的轨道确定方法;并在此基础上,提出了可能与航天器碰撞的其它空间编目目标的初选准则和碰撞预报算法。实测数据计算表明,该方法对于航天器轨道设计以及飞行安全性分析等均是实用可行的。     

空间目标远距离相对运动的非开普勒特性研究

空间目标相对运动是空间机动的基础,所采用的研究方法是开普勒轨道的扩展与改进。将空间目标相对距离用地心角描述,建立小偏心率假设下两目标地心角表示的相对距离一阶近似解析表达式,讨论了近地轨道空间目标相对距离的周期性,相对距离变化曲线可以看作是一个缓慢变化周期曲线上的快速振荡。分析了考虑摄动影响时相对轨道倾角和轨道交点随时间的漂移,并对长期摄动影响作用下轨道交点的运动进行了分析和计算。依据上述分析,对相对运动的非开普勒特性进行了讨论。
     

访问多个特定相对位置的航天器轨道设计

在航天器轨道设计问题中,将惯性空间中经典的吉布斯三矢量定轨方法拓展到相对运动空间中,给出了一种相对运动条件下的三矢量定轨方法。针对已知轨道的目标航天器,以及二个或三个给定的空间相对位置,基于相对运动方程,提出了设计跟随航天器飞行轨道的数值方法。以轨道面共面或异面,以及目标航天器轨道形状为椭圆或圆,将问题分为四种情况进行约束条件和自由变量个数的分析讨论。对于自由变量个数多于约束方程的情况,额外给定周期重访约束,将各种情况下的特定相对位置访问问题转化为一至二维的非线性方程(组)求解问题。对一维方程求解采用分段黄金分割+割线法进行快速求解;对二维方程组通过网格法搜索迭代初值并通过牛顿迭代快速求解。进一步基于线性模型的解,采用微分修正方法求解了各情况下J2摄动模型下的结果。数值算例验证了提出方法的正确性及有效性。     

航天器撞击解体碎片的短期危害评估

讨论了航天器与短期碎片云碰撞概率的计算流程。基于碎片云中碎片的数量、航天器的横截面积和碰撞概率风险阈值,提出了“风险区域判据”的方法,用于快速判断筛选航天器是否存在与碎片云碰撞的风险。推导了基于NASA标准解体模型的碎片分离速度概率密度函数,建立了计算航天器与单颗碎片碰撞概率的时间积分算法。针对在计算航天器与整个碎片云碰撞概率时的数据量无限制增长问题,提出了近似简化的“准平均概率”方法,有效地解决了计算速度的瓶颈问题。分析讨论了航天器与碎片云的轨道误差对计算碰撞概率的影响。最后,采用仿真算例进行计算分析与验证。     

组合式航天器概念及构型变换最优脉冲控制

为应对多种多样的不确定性对传统航天器的挑战,提出了一种更具灵活性、可靠性的组合式航天器概念。从模块化设计、标准化接口、运行模式、空间任务构型方面对此航天器概念进行描述。它在可维护性、规模可缩放性、可重构性等性能显著增强,特别是具有根据空间任务的不同而进行构型变换的能力。并从相对运动动力学方程出发,本文针对组合式航天器空间任务构型变换,设计了给定机动时间的、以燃料消耗最少为目标的最优脉冲控制方法,生成最优脉冲序列。仿真结果表明,最优脉冲控制方法是实现组合式航天器构型变换的一种有效途径。     

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。     

发动机失效状态下空间交会的主动防撞设计

针对空间交会对接中的主动防撞问题,分析了航天器椭球型安全区域的碰撞问题.同时,在某一方向发动机失效的情况下,利用控制力耦合效应,设计了航天器主动防撞机动的控制律.结合安全区域分析和轨道机动的燃料消耗选择一条燃料最优的安全转移轨道.最后通过仿真,验证了发动机失效情况下的主动防撞机动控制律的有效性.