椭圆轨道卫星编队队形及J2项摄动影响研究

基于椭圆轨道的两卫星相对运动方程,分析了参考星轨道为椭圆的编队飞行成立条件,给出了队形设计方法。讨论了J2项摄动对椭圆编队队形的影响。通过改变两卫星偏心率之差Δe调整环绕星的偏心率以消除部分J2项摄动。仿真结果表明,采用该法设计椭圆轨道编队队形可减少主动控制,节省燃料。     

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。     

空间摄动对InSAR卫星编队的影响研究

针对干涉合成孔径雷达(InSAR)编队卫星的特点,分析了地球形状、大气阻力、第三体引力和太阳光压等空间摄动力对卫星轨道的影响,并仿真讨论其对编队构型的影响。结果表明:地球形状摄动和大气阻力摄动是引起InSAR编队构型变化的主要摄动因素,在这些摄动力的作用下,编队构型的变化主要是沿航迹向的累积变化和编队椭圆的空间指向变化两种,并给出了编队构型随时间的变化量。研究为编队保持控制提供了参考。     

摄动椭圆参考轨道的相对运动状态转移方程

当面质比不同的主从卫星在近地轨道上作编队飞行时,大气阻力摄动和J2项摄动就成为影响编队队形的两个最主要的因素,这样描述相对运动的状态转移方程必须考虑这两项摄动。该文利用相对轨道要素法推导了包含J2项摄动和大气阻力摄动参考轨道为椭圆的卫星编队相对运动较精确的状态转移方程。当主从卫星的面质比相等时大气阻力摄动对卫星编队队形的影响很小而可以忽略,这样上面的状态转移方程可以化为更简单的形式。仿真结果表明该状态转移方程能较精确的预测编队飞行的相对运动。     

等质量立体五星库仑编队飞行的分析与控制

分析了立体五星编队在静电力和万有引力作用下的静态构型。分别讨论了五星编队在共线和平面情况下的静态构型,着重研究了五星构成立体双直角六棱锥构型时各个卫星所带的静电荷量。由于地球同步轨道的卫星所受到的作用力不仅是万有引力与静电库仑力,还有空气阻力等摄动力,因此只有对其施加控制,卫星才能在静态平衡点保持编队构型的稳定性。本文采用线性二次型最优控制方法来保持编队的静态构型稳定,并通过Matlab实现了五星立体库伦编队飞行控制仿真。     

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。     

小卫星编队飞行关键技术及发展趋势分析

卫星编队飞行是空间技术发展的一个新领域.通过编队飞行可将多颗小卫星形成一颗大的"虚拟卫星",即空间任务的预定功能由编队中各个只担当单一功能的卫星分担,由此整个卫星群可实现强大的功能.实现卫星编队飞行需要保持和控制星群的编队构型,精确确定星间的相对位置和相对速度,即相对导航.卫星编队飞行的关键技术包括轨道设计、轨道演变及控制,星间链路、编队运行管理和测控,以及卫星的自主定位、定轨.叙述小卫星编队的基本原理、轨道构成和技术特征,分析实现编队飞行所需的关键技术,介绍各国编队飞行的现有计划及未来发展趋势.     

考虑地球扁率的大椭圆轨道编队飞行优化设计

大椭圆轨道上卫星编队的相对运动特性及其所受摄动力的影响给编队轨道设计者提出了新的挑战.本文总结了大椭圆轨道卫星编队的五种基本形式,利用数值积分法计算了主星轨道倾角、近地点角和平近点角初值对地球扁率作用下基本编队形式相对位置极值点漂移量的影响规律.结合零J2项摄动条件,提出基于主星平近点角初值的J2项编队相对轨道优化设计方法,进而获得瞬时根数描述的编队初始条件.仿真算例表明：优化设计结果可以明显降低大椭圆轨道编队卫星的相对漂移量,与平根数描述的编队初始条件的设计结果相比,相对距离极大值点的漂移量降低约81.8681%,验证了基于主星平近点角初值的大椭圆轨道编队优化设计方法的可行性.     

推力方向受限条件下的编队构型变结构控制

精密构型保持控制是编队飞行的关键技术,滑模变结构控制方法是实现近地轨道紧密编队鲁棒控制的有效方法.编队动力学系统存缺少径向控制输入情况下,仍是可控的.针对这一特性,进行了推力方向受限条件的编队构型变结构控制.提出了利用保性能控制原理的鲁棒的滑动面设计方法,实现了模型不确定不匹配系统的变结构控制,结合J2摄动力和编队状态的关系式,解决了缺少径向控制情况下编队构型控制系统模型不确定和干扰不匹配问题.仿真结果表明,所提方法可以实现无轨道径向推力编队构型保持的鲁棒控制.     

近圆轨道编队飞行星座相对构型稳定性分析

在近圆轨道编队飞行的假设条件下 ,根据动力学关系推导出了环绕卫星相对参考卫星的运动学简化模型 ,并以此简化模型为基础 ,研究了半长轴入轨偏差δa ,轨道倾角偏差δi ,轨道偏心率偏差δe在地球扁率摄动条件下对编队飞行星座相对构型稳定性影响 ,深入分析了各种因素的规律和特点 ,并以此对编队飞行星座轨道设计提出建议。     

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。     

椭圆轨道编队常值推力构形变化控制方法

采用T-H方程作为椭圆轨道编队的动力学描述，推导了常值推力作用下的椭圆轨道编队的构形变化控制方法。通过合理的选择控制量的作用时刻，可达到大量节约燃料的目的。结合该构形控制方法给出了燃料均衡与燃料最优的解决方案；最后，给出的仿真算例说明了本文设计方法的有效性。     

一种基于一致性理论的航天器编队飞行协同控制方法

为提高航天器编队飞行控制的协同性,研究了基于一致性理论的航天器编 队飞行协同控制方法。首先,讨论了航天器编队飞行中的一致性问题;其次,建立了航天器 编队飞行六自由度动力学模型;然后,应用一致性理论设计了非线性控制律,通过仿真验证 了控制方法有效,并且可以适用于动态的航天器编队飞行通信拓扑结构。
     

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。     

解析求解非线性相对运动的最优重构问题

椭圆轨道相对运动模型的线性化导致其在大尺度相对运动应用中精度不能满足需求。针对任意椭圆轨道上的大尺度航天器编队最优重构问题,提出一种基于椭圆轨道非线性相对运动模型的近似解析求解方法。首先通过变分法建立了非线性最优重构问题的数学模型;然后采用摄动法,以偏近点角为积分变量求得了不含特殊积分的解析开环最优控制,有效地避免了真近点角域下最优控制解所含有的特殊积分。仿真验证了所求最优控制的有效性和优越性,结果表明在相对运动尺度较大时,相比基于椭圆轨道线性化模型的最优控制,在燃耗保持相近的情况下,所求非线性控制有效地降低了重构误差。     

低轨卫星编队飞行的地面覆盖及轨道调整

通过施加冲量的方法消除J2项摄动和大气阻力摄动对编队飞行的影响,在编队的相对构型和整体绝对位置得到控制后,研究了低轨卫星编队飞行的地面覆盖问题,最后通过算例给出了卫星编队在南北纬86°之间全球覆盖所需的时间、周期、圈数和覆盖角。计算结果表明,对于偏心率较小的低轨编队飞行,根据本文所推导公式计算出的结果是比较可靠的。     

航天器编队飞行轨道构型研究

通过研究航天器编队飞行轨道动力学和推力控制,提出编队飞行轨道构型有自然式、强迫式和混合式三类,并对每类都举例说明若干种典型构型,以及构型如何建造与所需燃料,文章总共提出14种典型轨道构型,这些构型可供今后编队飞行应用参考。     

拉格朗日点附近编队的离散控制方法

由于拉格朗日点的独特空间位置，它附近的编队研究对深空探测有着很重要的意义。讨论了日地系统拉格朗日点附近编队的脉冲控制方法，给出了一种简单的实现编队的迭代算法。基于该算法，讨论了两种不同控制策略。根据编队任务的特点，定义了几个与编队误差和能量消耗相关的性能指标。通过仿真圆形编队算例，对两种策略进行了比较分析。结果表明策略二无论在消耗能量方面还是在误差控制方面都优于策略一。对于策略二，当脉冲间隔一定时，能量消耗随编队半径的增加线性增加。当编队半径一定时，误差随脉冲间隔的减小呈指数减小，而能量消耗随脉冲的变化很小。     

基于PEA的椭圆轨道航天器编队飞行高精度位置保持

针对航天器编队飞行时相对位置保持精度要求高的特点,采用基于线性变参数模型的多项式特征结构配置方法设计椭圆轨道航天器间相对位置控制算法。对于线性变参数控制系统,本文将基于线性定常系统的多项式特征结构配置方法推广以确保系统性能与变化参数间的独立性。在特征结构配置时,先设计带参数变化的控制器结构后计算出带未知控制器增益的设计闭环传递函数,接着将其与含有闭环系统性能的期望传递函数在三个条件下进行匹配,进而获得未知控制器增益的表达式。在设计实际控制椭圆轨道编队飞行MIMO相对位置保持算法时,将系统期望传递函数设为解耦形式来实现三轴位置控制间的解耦控制,达到提高系统控制性能的目的。最后进行相应的数学仿真,其结果表明该算法能够保证系统的高精度位置保持要求。