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.     

一种针对分离模块航天器系统的分层优化方法

针对分离模块航天器系统优化中存在计算量大、算法复杂度高的问题,提出了一种基于分层的分离模块航天器系统优化方法。该方法将系统优化问题分解为三个层次进行,顶层规划模块数和轨道高度,中间层优化组件配置,底层优化运载发射方案。其中顶层嵌套调用中间层,中间层嵌套调用底层,底层直接计算求解最优运载发射方案,避免了直接基于分离模块航天器全寿命周期仿真来优化运载发射方案。应用该方法对虚拟对地遥感分离模块航天器进行优化,结果表明,优化过程简单,计算量小,算法复杂度低,优化效果显著。     

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。     

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。     

太阳帆日心定点悬浮转移轨道设计

研究了太阳帆航天器日心定点悬浮轨道(HFDO)的转移轨道设计问题,以球坐标形式建立了太阳帆的动力学模型,基于该模型给出在日心悬浮轨道基础上实现定点悬浮的条件,提出了一种实现日心定点悬浮的转移轨道设计方法。首先,确定定点悬浮的位置;然后,设计经过该位置的绕日极轨轨道;最后,实施轨道减速实现定点悬浮,并给出了解析形式的轨道控制律。结合太阳极地观测任务,设计了定点悬浮在太阳北极1AU处的太阳帆转移轨道。仿真结果表明:该轨道转移方案总耗时3.5年,太阳帆定点到黄北极距日心1AU处,此后只要保持太阳光垂直照射帆面,即可维持稳定的悬浮状态。     

低轨航天器磁推进方法

基于地球空间磁场的磁作用效应,提出了一类低轨航天器无工质消耗的磁推进方法,并对航天器的高度保持进行了研究。该方法具有作用机理明晰、物理结构简单、控制策略灵活等特征。以磁场对磁体作用的磁矩理论为基础,建立了带磁航天器飞行的磁推力模型,提出了基于磁力线追踪策略的轨道高度保持方法。利用熟知的IGRF11地磁模型,通过数值仿真计算,验证了磁推进方法对于600～1000km圆轨道航天器进行高度保持的有效性。     

远程导引变轨方案修正算法

为在实际摄动条件下由远程导引变轨方案初始设计结果实现追踪航天器与目标航天器的交会,提出了一种修正变轨方案。将初始多脉冲式变轨方案转换为有限推力式并作修正,取远程导引结束时刻追踪与目标航天器间的相对轨道要素为目标函数,采用J2,J3,J4解析轨道预报器对目标函数计算需要的轨道进行预报,以历次变轨开始时刻、结束时刻和推力方向为优化变量,用边界约束有限存储BFGS(L-BFGS-B)优化算法获得的最优解为修正后的变轨方案,可消除摄动模型误差。算例结果表明,经转换和修正所得有限推力式变轨方案能在实际摄动条件下实现追踪航天器与目标航天器的交会。     

分布式航天器相对轨道确定方法

根据航天器相对运动的C-W-Hill方程建立的动态模型,以及基于无线电测量方案建立的相对距离观测模型,提出了一种用扩展卡尔曼滤波(EKF)确定分布式航天器相对轨道的方法。用STK、Matlab软件进行的仿真验证结果表明,该方法可确定分布式航天器相对位置和相对速度,所获解的精度较高。     

考虑地球扁率效应的两航天器双共切最优交会原理

轨道交会研究受控航天器与目标航天器于预定的位置和时间相会合。本文讨论按两次冲量法沿双共切椭圆轨道,使沿圆轨道运行的受控航天器实现向另一圆轨道转移并和沿该圆轨道运行的目标航天器相交会的最优方案,讨论中计及到地球扁率造成的轨道摄动。文中的所谓圆轨道指的是变轨时刻的密切轨道为圆形以及是对近圆轨道的近似替代。     

轨道维持与机动的最优控制

从航天器的轨道运动学方程出发 ,运用线性离散系统最优控制理论 ,提出了一种用于航天器轨道维持与轨道机动的最优控制方法 ,建立了相关的最优控制模型并给出了求解该模型的算法。仿真计算结果表明 ,本文提出的最优控制方法是正确和可行的     

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。     

Single crystal mo solar thermal thruster for microsatellites

One potentially attractive propulsion concept offering significant payload gains for orbit transfer from LEO to higher orbits, station keeping and attitude control of spacecraft is thermal propulsion using light gas (typically hydrogen) as propellant and various kinds of heat energy. Solar Thermal Propulsion (STP) is a typical thermal propulsion with high Isp (500 – 1,000 s) in an appropriate thrust magnitude range and provides possibly much less space pollution than conventional chemical propulsion.

This paper presents the test results of a 30 mm dia. (medium-sized) windowless type of single crystal Mo thruster for orbit transfer of 50 kg class microsatellites. The cavity dia. is 20 mm, double the size of the previous model, and can apply to a primary solar reflector of up to 3.5 m dia., which is the maximum size containable in the H-II rocket fairing without segmentation. The performed mission analyses indicate that this size of STP is suitable to orbit transfer of 50 kg class microsatellites, such as LEO to GEO, or only multiple apogee kicks from GTO to GEO or deep space missions.     

嫦娥一号月球探测卫星轨道设计

嫦娥一号卫星航天使命的主要科学目标是对月球及月地空间进行多种遥感探测,航天使命设计的主要和基本的部分是卫星飞行轨道的设计,其中包括在飞行过程中的轨道控制策略的设计。嫦娥一号的这条飞行轨道由三大部分组成:第一部分是绕地飞行的调相轨道,它们由周期为16h、24h、48h的三段轨道组成;第二部分是关键的地月转移轨道;第三部分是200km高度绕月飞行的使命轨道。文章给出了整个飞行轨道的设计思想。     

基于在轨热环境的可展开天线反射面精度调整技术

随着宇航事业的发展,网状展开天线的尺寸越来越大,对形面精度要求越来越高(特别是高频段),在轨热环境与地面调整点的热环境差别大,必须采用基于在轨热环境的网面精度调整技术以满足反射面的精度要求。就在轨热环境下的辅助牵引面式网面精度调整技术的理论分析及调整方法进行了探讨,给出了计及在轨热环境的网面形状精度调整的基本理论公式及调整步骤,并对某样机进行了调整计算。计算结果表明,文中的分析、公式、方法是正确的,可行的。     

一种晨昏轨道卫星地球反照系数估计方法

针对地球反照对太阳同步轨道卫星太阳电池阵输出电流的影响,首先比较不同降交点地方时卫星的太阳电池阵输出电流,分析其变化规律,然后选定晨昏轨道卫星作为研究对象,建立太阳电池阵输出电流模型与地球反照系数估计模型,利用最小二乘法估计电流参数与地球反照系数,最后结合不同季节、不同轨道高度卫星的遥测数据进行在轨验证。结果表明,对于轨道高度在1200km以下的晨昏轨道卫星,地球反照系数在0.05以上;地球反照系数随轨道高度增加呈指数规律衰减,衰减系数约为0.002。     

日地Halo轨道的多约束转移轨道分层微分修正设计

针对日-地系统L1点（简称SEL1点）Halo轨道转移轨道设计中存在的多约束与初值敏感性问题,提出一种基于分层微分修正与初值多项式的设计方法。首先定义平动点转移轨道设计过程中存在的约束条件,然后根据不同的终端约束条件,重点给出了同时考虑轨道高度、轨道倾角、升交点赤经与航迹角等多约束条件下的分层微分修正方法。通过分析约束变量与控制变量之间的关系,得到能够解决微分修正初值问题的初值表达式。最后在多约束条件下设计了从轨道高度为200km的地球停泊轨道到SEL1点Halo轨道的转移轨道。仿真结果表明,分层微分修正方法能够处理多约束问题,且初值表达式可以为微分修正提供良好的初始条件,从而保证算法收敛,方法具有较好的实用性。     

月球卫星轨道摄动及冻结轨道研究

利用理论分析、数值仿真与相图分析,论述了月球卫星冻结轨道与地球卫星冻结轨道的区别,分析结果表明,月球重力场存在较大异常,会引起月球卫星轨道发生较大漂移。月球冻结轨道在田谐项影响下,还存在中等周期的漂移。仅简单考虑带谐项系数,无法求得完美的月球冻结系数。月球重力场异常对绕月卫星的影响与地球相比存在很大区别。月球轨道卫星的长期运行与控制策略的设计,不能按照地球轨道卫星的传统方法。目前使用的月球引力模型精度较差,尽管基于这些不可靠的引力模型,可以得出很多有用结论,但对未来高精度的月球探测任务来说,还存在不足,需要在将来的月球探测任务中,探测高精度的月球重力场,以利于未来月球探测航天系统的任务分析与设计。     

氢氧发动机实现单级入轨的优化分析

根据现有材料和技术，分析了给定任务下氯氧发动机实现单级入轨的最小起飞质量。由单级入轨弹道、运载器质量和氯氧发动机性能计算模型，优化得到为实现单级入轨的氯氧发动机基本参数。最后还提出一种渐变式氯氧发动机，用该发动机实现单级入轨，能使起飞质量降低16．7％。     

中国巴西地球资源卫星的轨道捕获和轨迹交会控制

中巴地球资源卫星一号(CBERS-1)是中国和巴西合作研制的第一颗运行在太阳同步轨道上的地球资源卫星.CBERS-1于1999年10月14日由中国自行研制的长征运载工具按预定计划准时发射,进入设计轨道,随后通过轨道捕获、星下点轨迹控制和多次轨道保持机动等一系列轨道测控操作,该卫星已按遥感用户的要求正常运行在高精度的太阳同步、回归冻结轨道上.本文简要阐明CBERS-1轨道控制系统的任务目标、系统结构、轨道控制策略、控制性能、飞行软件和在轨操作以及飞行结果.