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。     

航天器近距离视觉制导自主机动轨道优化

研究具有视觉导引路径约束的航天器近距离机动轨道优化数值计算问题。首先,给出了带路径约束的椭圆参考轨道航天器近距离轨道机动最优化问题数学模型。利用高斯伪谱法将上述最优化问题转化为非线性规划问题,优化参数为配点上的状态量和控制量。然后,利用MATLAB的SNOPT软件包对非线性规划问题进行求解。最后通过数值仿真验证了方法的有效性和鲁棒性。     

基于太阳能热推进的应急飞行器系统优化设计

基于太阳能热推进的航天器推进系统具备高比冲、高效率等诸多性能优势。文章基于太阳能热推进原理实现应急轨道航天器的轨道补偿控制,并对系统关键参数进行了优化设计。首先建立轨道控制系统的数学模型,然后根据太阳能热推进原理与轨道特性实现吸热剂质量与聚光器吸热面积的优化计算,最后仿真验证该方案的可行性。仿真结果表明:该方案适用于210～300 km高度的应急轨道,且吸热剂质量与聚光器面积需求均在合理范围内。     

航天器环绕小行星Ivar的运动分析

将小行星Ivar近似为三轴椭球体，给出了非球形引力势函数，建立了航天器环绕小行星Ivar的轨道动力学方程。利用Jacobi积分常数绘制了航天器在Ivar周围的零速度曲线，并分析了航天器的可能运动区域，给出了航天器不碰撞小行星Ivar的边界条件及不同偏心率下的近拱点半径。分析了小行星Ivar扁率和椭率对环绕轨道的影响，数学仿真结果表明：在一个轨道周期内，顺行轨道的开普勒能量、轨道角动量、偏心率和近拱点半径变化较大，而逆行轨道的相应参数变化较小。     

升力式航天器太阳同步冻结回归轨道保持策略

针对超低轨道升力式航天器对地观察的优势及其高机动特性，设计了一种近地点位于临近空间的太阳同步冻结回归轨道，并对气动力辅助与发动机推力相结合的轨道保持策略进行了研究。策略将轨道保持过程分为3个阶段：第1阶段自远地点飞向大气层，不施加控制；第2阶段在大气层内飞行，通过控制攻角和倾侧角调整航天器所受气动力，小幅改变轨道的升交点赤经；第3阶段自跃出大气层到远地点，利用轨控发动机调整轨道参数，回到远地点时除升交点赤经其他轨道参数不变。以燃料最省为性能指标，对轨道保持策略进行了仿真分析，结果表明可以实现14.7天太阳同步冻结回归轨道的在轨运行。     

无需变轨实现单航天器对星座中多卫星的近距离接近

针对日前广泛应用的相位同构星座，讨论了一种无需变轨实现单航天器与多颗卫星近距离接近的轨道设计方法。其设计思想是首先根据接近任意两颗卫星轨道的约束条件得到轨道簇，再利用搜索的方法从中找出能接近其他一颗或多颗卫星的轨道。研究表明，利用这种方法能设计得到至少接近三颗非共轨卫星的多条轨道。文中给出了一个算例，针对描述符为60：18／6／2的星座，得到了多条能接近3—5颗卫星的轨道。     

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。     

一种小推力航天器变轨优化方法

针对连续小推力航天器在轨道转移及制导控制过程中,传统方法需优化大量参数,且无法保证得到近优解的问题,提出一种新的轨道转移和规划算法。该算法将电推进式小推力卫星模型的变轨过程转化为最优控制中两点边值问题,引入混合遗传算法,实现了小推力航天器由低轨向高轨的飞行轨道规划及优化,并在开源的科学工程计算软件SCILAB6.0.1上进行实验,将各算法封装成算法模块。实验结果表明,所提方法对小推力航天器变轨飞行轨道的规划具有良好的优化效果。     

相邻两航天器相对运动近似方程的解析解及比动能方程

在地心引力场中，当目标航天器沿近圆轨道作无动力运动时，与目标航天器相邻的受控航天器相对于目标航天器的运动可以近似地用Ｈｉｌｌ方程描述。文章给出了受控航天器对目标航天器运动的推力速度随时间线性变化时Ｈｉｌｌ方程的解析解。并根据Ｈｉｌｌ方程导出了受控航天上对目标航天器运动的比动能方程。还讨论了比动能方程在上述两航天器轨道相遇和轨道交会问题中的应用。     

航天器共振轨道研究

建立航天器非开普勒运动理论是航天技术发展的必然。提出了一类非开普勒轨道——共振轨 道。共振是自然界的一种普遍现象,当发生共振时,很小的输入可以使系统的状态产生较大 变化。研究表明航天器在推力作用下的非开普勒运动在参数平面内可以视为一种受迫振 动,也会发生共振现象。因此,可以利用共振原理来研究航天器的运动,称这样一类非开普 勒轨道为共振轨道。首先通过合理地选择轨道描述参数、时间尺度和推力描述方式建立 航天器共振轨道的动力学模型。然后讨论航天器在推力作用下轨道运动的振动规律,并给出 共振轨道的概念及轨道方程。最后提出基于共振轨道的机动轨道设计方法。
     

Developing a Low-Velocity Collision Model Based on the Nasa Standard Breakup Model

We have conducted a series of low-velocity impact experiments to understand the dispersion properties of fragments newly created by low-velocity impacts possible in space, especially in geostationary Earth orbit. The test results are utilized to establish a mathematical prediction model to be used in debris generation and propagation codes. Since the expected collision velocity between catalogued objects in geostationary Earth orbit shows a peak at a few hundreds meters per second, these impact experiments were conducted at a velocity range lower than 300m/s. As a typical structure of satellites in geostationary Earth orbit, thin aluminum honeycomb sandwich panels with carbon fiber reinforced plastics face sheets were prepared, while the projectile was a stainless steel ball of 9mm diameter. The data collected through these impact experiments have been re-analyzed based on the method used in the National Aeronautics and Space Administration (NASA) standard breakup model 1998 revision. The results indicate that the NASA standard breakup model derived from hypervelocity impacts could be applied to low-velocity collision possible in geostationary Earth orbit with some modifications.     

基于速度增量修正的卫星入轨段外测数据定轨新方法

在传统的数值积分精密定轨方法基础上,提出基于器箭分离速度增量修正的定轨方法,实现了器箭分离前后两段外测数据的联合定轨。仿真计算结果和任务实战数据验证结果表明,该方法大大提高了地月转移轨道入轨段外测定轨精度,比传统初轨确定方法提高约一个数量级。     

基于电火箭推进的地-月轨道转移自主导航研究

以电推进力作为奔月航天器在进入月球影响球之后的螺旋式减速转移过程的主推进力和姿态控制力,建立限制性三体力学模型.采用星光导航方式,结合UKF非线性滤波方法进行自主导航研究.推力的引入方式能有效抑制由于航天器姿态与导航误差耦合而导致的推力矢量方向误差.通过大量的计算机仿真,详细研究和分析了电推进条件下自主导航的发散问题,有针对性地给出了抑止发散的方法,为工程实现提供了有利的参考依据.     

基于序优化理论的晕轨道转移轨道设计

利用晕轨道的稳定流形可以设计从地球到晕轨道的转移轨道。但由于小幅度晕轨道的稳 定流形与地球停泊轨道无法相交,因此需采用两脉冲转移。微分修正法是求解两脉冲转移常 用的优化方法,虽然收敛速度快,但很难获取全局最优解,而且收敛半径小,如果初始猜想 与最优解相差很远,该方法可能会不收敛。将序优化理论与微分修正法相结合,利用序优化 思想缩小搜索空间,得到足够好的初始猜想,然后利用微分修正法快速收敛到满足终端精度 要求的解。仿真结果表明该方法有很好的收敛性,且计算量小。
     

地-月低能耗转移轨道中途修正问题研究

采用地-月低能耗转移轨道的探测器从地球停泊轨道转移到极月轨道一般需要3~4个月时间,这类转移轨道对入轨精度有较高的要求。本文对地月转移轨道中途修正问题进行了研究。文中结合地-月低能耗转移轨道的特点,给出一种分段式多目标多次中途修正方案。利用显式制导结合牛顿迭代,分别以地球和月球作为中心天体求解兰伯特问题,在假设探测器各种轨道误差的基础上进行了蒙特卡罗仿真。采用该方法一般需要3~5次中途修正能够满足月球探测器环月轨道入轨精度要求,整个转移过程燃料消耗小于传统地月转移轨道。文中给出的仿真结果验证了该方案的可行性。     

第二类无奇点根数的北斗历书参数设计

为统一北斗三类卫星的历书拟合算法,提出基于第二类无奇点根数进行历书参数设计的方法,设计了以倾角向量变率作为摄动参数的历书参数模型,并给出新的历书模型的用户使用算法。利用覆盖2013年全年的实际在轨卫星的数值轨道进行了历书拟合试验。结果表明,地球静止轨道（GEO）和倾斜地球同步轨道（IGSO)卫星的拟合位置误差为2~4km,拟合用户距离误差（URE）约为1km,中圆地球轨道（MEO）卫星的拟合位置误差为1~2km,拟合URE约为500m。通过分析6个轨道根数和2个摄动参数全年的变化范围,对新历书模型进行量化单位和占用比特位的通信接口设计,定量分析量化单位对历书表达精度的影响。结果表明,参数截断后对位置误差的影响小于50m,对URE误差的影响小于5m。因此,历书量化误差对信号捕获以及首次定位时间带来的影响可以忽略不计。     

地-月系平动点及Halo轨道的应用研究

地-月系统的平动点L1点及L2点的Halo轨道在探月工程中有重要的应用价值，可分别用于地月连续通信覆盖和月球背面的探测。由于在地-月系统中太阳的引力不可忽略，特别是在长时间作用以后，其动力学行为与摄动力较小的日-地系统有明显的不同。本文分析了如何利用太阳引力进入地-月系统的L1点及L2点的Halo轨道、以及由Halo轨道进入近月轨道的问题，两者综合起来构成了一条完整的地月低能转移轨道。研究结果对探月轨道设计有一定的参考价值。     

火星探测无动力借力飞行轨道研究

对无动力情形的借金星引力辅助变轨进行了研究,并完成了火星探测轨道的设计;首 先使用Jacobi积分得到了蒂塞朗准则,在利用速度矢量图对借力飞行轨道的特性进行分析后 ,得到了Williams提出的C3匹配法,证明了蒂塞朗准则和C3匹配的同一性;在 搜索借力飞行的可行性转移轨道中,采用C3匹配对借金星引力的火星探测轨道进行了 仿真,并对结果进行了分析,最后使用蒂塞朗准则对C3匹配的仿真结果进行了检验。     

Use of Optical Characteristics to Identify Orbiting Material

Knowledge of the observable properties of orbital debris is necessary to validate debris models for both the low Earth orbit (LEO) and the geosynchronous Earth orbit (GEO). Current methods determine the size and mass of orbital debris based on knowledge or assumption of the material type of the piece. Improvement in the knowledge of material is the goal of the research described herein. The process of using spectral absorption features to determine the material type is explored. A review of the optical measurements of orbital debris as well as current research in the area is discussed. Reflectances of common spacecraft materials are compared. The need for, and advances made possible by obtaining real data are explored. The prospects of the venture are investigated.     

基于转移时间约束的异面圆锥曲线变轨算法

在圆锥曲线转移轨道Lagrange方程的基础上,分析了双曲线和多圈飞行椭圆轨道的转移时间与半长轴的几何关系,以及椭圆转移问题的虚焦点位置对长程、短程轨道的约束.给出了一种与初始速度方向相关的转移角定义,以及一种基于Lagrange方程的圆锥曲线变轨计算方法,随后提出了一种以半长轴为迭代变量的变轨算法.通过异面椭圆和双曲线转移两个实例,验证了该算法与Vaughan算法具有相同结果,并具有明确的几何意义.