基于T-H方程的卫星轨迹模型参考输出跟踪控制方法

当目标卫星沿椭圆轨道运行时,描述追踪星与目标星相对运动的线性化方程为T-H方程。将描述航天器相对运动的T-H方程变换为周期系统的状态空间形式,并给出卫星轨迹跟踪控制问题的数学描述。基于周期系统的参量Lyapunov方法和模型参考跟踪控制理论,提出了卫星轨迹跟踪控制器的设计方法。利用该方法设计了带有收敛速率保障的反馈镇定控制器和具有自由参数的前馈控制器。对追踪星相对目标星悬停任务进行了数值仿真,仿真结果表明提出的控制方案是有效的。     

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。     

基于间接量测的卫星相对导航

研究了以微波雷达作为相对测量设备的追踪星与近圆轨道上运行的目标星之间的自主相对导航问题。通过对卫星相对运动方程简化得到了线性的卫星相对运动方程。采用以雷达输出确定的直角坐标系下的相对位置作为量测,避免了直接使用雷达输出作为量测时量测方程的非线性问题,并给出了间接量测噪声方差矩阵的构造方法。根据线性的相对运动方程和量测方程设计了基于标准卡尔曼滤波器的相对导航算法。根据某微波雷达的性能参数进行的仿真结果表明：该算法与采用雷达的直接输出和EKF的算法导航精度相当,然而该算法避免了求解雅可比矩阵的繁琐过程,使滤波器的设计工作得到简化。
     

基于追逃博弈的非合作目标接近控制

针对追踪航天器接近非合作目标任务中的相对位置控制问题,提出了一种基于线性二次型追逃博弈的控制方法。首先,将非合作目标接近问题转化为二人追逃博弈问题,并设计了二次型目标函数。其次,结合相对运动模型,建立了线性二次型追逃博弈模型。为得到纳什均衡策略,将HJ方程转化为代数黎卡提方程,并给出了李雅普诺夫迭代法对其求解。最后,对博弈控制方法的有效性进行仿真验证,结果表明,该方法能够在非合作目标机动时实现轨道接近控制。     

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。     

空间合作目标运动再现的相似设计方法研究

以相似理论为基础设计一种绝对运动等效代换方案以在地面试验中实现空间合作目标绝对运动与相对运动同时再现。首先应用量纲分析法给出空间合作目标轨道姿态动力学问题地面试验的相似准则;然后,提出绝对运动等效代换方法,并以此为基础建立运动再现地面试验模拟器的轨道姿态动力学方程;最后以航天器交会对接最终逼近段地面验证试验为例给出地面试验系统验证方案的具体实施步骤,并通过仿真算例说明所提方法的有效性。     

近赤道卫星绕飞编队的运动学分析及轨道设计研究

首先对一般运动学方法在进行近赤道卫星编队相对运动分析和轨道设计时存在的问题进行了分析 ;其次介绍了一种基于零倾角轨道变换的运动学新方法 ,用其对近赤道卫星编队中参考卫星轨道倾角对环绕卫星轨道根数的影响进行了研究 ;最后对零倾角卫星编队相对运动方程的线性化误差进行了理论分析 ,并利用数值仿真对两种运动学方法的相对运动方程线性化误差进行了比较分析。数值仿真的结果表明 :由基于零倾角轨道变换运动学方法得到的相对运动方程的线性化误差不随参考卫星轨道倾角改变 ,而由一般运动学得到的相对运动方程的线性化误差随着卫星编队接近赤道而呈非线性增大。     

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。     

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。     

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。     

对无控旋转目标逼近的自适应滑模控制

对追踪器逼近无控旋转目标器的轨迹和姿态六自由度控制问题进行了研究.基于适用于任意偏心率的航天器相对运动轨道和姿态动力学模型,对追踪器逼近无控旋转目标的参考轨迹和参考姿态进行了分析与设计,推导了一种用于六自由度逼近控制的自适应滑模控制器.通过仿真分析,证明了所设计的逼近参考轨迹和参考姿态的合理性,同时验证了自适应滑模控制器的有效性.     

非合作目标交会相对导航方法研究

本文对一类非合作目标交会的相对导航问题进行了研究。基于近圆轨道上运行的非合作目标航天器初始轨道、追踪航天器在惯性空间的瞬时位置及追踪航天器到目标航天器的视线仰角和方位角等信息,文章从相对距离和相对姿态的确定及相对导航滤波器的设计三方面入手,提出了相对位置和相对速度等相对导航参数的获取方法。数学仿真验证了该方法的有效性。     

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。     

一类椭圆轨道交会中的动力学方程研究

研究了一类追踪器和目标器轨道半长轴相差不大、轨道面外的距离相差不大的小偏心率椭圆交会的动力学问题.首先选择合适的圆轨道上的点建立参考系,推导出针对圆轨道参考系的无量纲化线性定常方程,并获得相应的相对状态;接着讨论该方程在小偏心椭圆轨道两冲量交会中的应用;最后进行数值仿真,验证动力学方程和制导策略,并与CW方程及制导策略的相关仿真进行比较.仿真结果表明本文给出的动力学方程的精度优于CW方程,能有效解决这类椭圆交会问题.     

Automatic rendez-vous scheme proposed for an unmanned (or manned) vehicle with a space station

A method for automatic rendez-vous between an active vehicle, and a passive orbiting vehicle (typically a space station on a circular orbit) is presented. The main interest of the method is the simplicity of system implementation, and the small requirements on vehicle maneuvres and on-board computations, rather than in the mathematical optimization of fuel expenditure or elapsed time.The chaser is at first put on a circular orbit, lower and nearly coplanar to the orbit of the target (space station). An open-loop transfer of the chaser is performed, in order to put it in a window appropriated for automatic rendez-vous. When the relative distance of the two vehicles is small enough, a radar is used on the chaser for continuous determination of relative position and speed. An on-board computer is used then to derive the moments of application of corrective thrusts and their orientation. The scheme leads to a series of corrections nearly equally spaced in time, and the chaser approaches the target exponentially. Out of plane errors are also corrected. When the vehicles are close, the docking phase is initiated, which can be performed either automatically or manually. Even in manual control, an automatic loop is used in order to give the pilot simple motions in response to the control.     

航天器内部液体晃动对交会对接动力学与控制的影响

本文从力学变分原理出发,建立了交会对接过程中追踪飞行器与目标飞行器的动力学方程,导出了两个飞行器之间的相对运动方程。以此为基础,讨论了最后逼近阶段的平移过程中,追踪飞行器内部液体的晃动规律,并进一步对飞行器之间的相对运动做了定性分析,论述了液体的晃动对交会对接相对运动中的动力学与控制的影响。     

交会相对运动确定的新方法

本文叙述空间交会过程中相对运动参数测定的新算法。在测量目标的相对距离和方向的基础上,借助于追踪航天器上的地球敏感器和太阳敏感器,就能直接确定在目标轨道坐标系中相对运动的参数。为此,测量系统可以不含陀螺惯性平台。     

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。