卫星编队连续推力控制的燃料平衡方法

在卫星编队飞行中,编队重构等机动过程会导致整个编队卫星之间燃料消耗不均匀,甚至出现某一成员卫星燃料消耗完,而导致整个编队构型提前结束乃至任务失败。针对该问题,文章提出了在卫星编队轨道重构过程中可采用的一种燃料平衡方法,即基于连续推力控制,以燃料最优为控制目标,通过建立燃料消耗函数,推导了不同相位角及重构半径时的最优控制加速度,通过减小各从星之间的燃料消耗函数的差异,使得不同成员卫星燃料消耗差别最小。编队卫星燃料平衡程度取决于初始相位角,文章给出了最佳初始相位角的表达式。最后,对以一主二从的三星编队在从星轨道重构中的从星燃料平衡问题进行了仿真,分别验证了卫星编队连续推力控制方法和编队卫星燃料平衡方法的正确性和有效性。     

一种基于遗传算法的编队队形重构优化方法

针对卫星编队队形重构问题,提出了一种满足星间安全距离约束的燃料优化队形机动     

带燃料均衡的空间多飞行器编队重构的轨道规划方法

航天任务需求的多样化对空间多飞行器编队重构的轨道规划问题不仅提出了燃料或时间最优的要求,还提出了燃料和时间最优以及燃料均衡的要求。将带燃料均衡的多飞行器编队重构的轨道规划建模为一个多目标优化问题,通过将进化计算与问题领域的知识相结合,提出了一种基于小生境进化算法的最优轨道规划方法。该方法能从变轨时间、燃料消耗和燃料消耗方差三方面分别评价一个变轨方案的最优性,并且一次规划能够提供多个Pareto最优变轨方案。仿真结果证明了该方法的正确性和有效性,还揭示了编队重构轨道规划问题的三个优化目标之间的关系,对于制定任务计划具有重要的参考价值。     

卫星编队飞行队形重构防碰撞方法研究

队形重构技术是卫星编队飞行领域研究关键问题之一.多颗卫星近距离编队队形初始化、队形调整及重构,卫星之间相对距离变化带来碰撞问题不可忽视.根据卫星间相对位置关系建立队形重构过程中碰撞概率函数表征该过程碰撞发生可能性,研究表明故障卫星的初始相位角及备份卫星进入编队的初始角度对碰撞概率有较大影响.根据Lyapunov稳定性理论设计改进LQR控制器,在保证队形调整控制精度不需增加过多调整时间及能量消耗的同时,可有效降低碰撞概率.碰撞概率计算方法、控制器设计及所得相关结论,对研究卫星编队队形重构过程星间防止碰撞问题具有一定意义.     

深空环境下卫星编队飞行队形重构实时重规划

针对深空环境中卫星编队自主队形重构的机动问题,设计了队形重构过程中的实时重规划方案。在每次重规划过程中首先用Legendre伪谱法将当前时刻到终端时刻的重构问题离散化为非线性规划问题;其次,根据卫星编队飞行队形重构的特点,使用协同进化粒子群(CPSO)方法对每次重规划进行求解,该方法既避免了传统优化方法对复杂问题梯度的求解,又能在整个优化过程中保证约束条件的满足,并且能够事先为粒子群的进化提供大致方向,极大地提高了每次重规划的计算速度;最后,提出了重构过程中具体的重规划策略,以保证队形重构的顺利进行。仿真结果表明,与传统的控制方法相比,在重构过程中,该方法能够在初始给定轨迹的基础上进一步优化,可以有效降低重构过程的能量消耗,并能够避免重构过程中碰撞的发生。     

编队重构的双脉冲燃料最优控制

基于Hill方程导出了四种典型编队重构的双脉冲控制算法，并揭示了编队重构时具有如下性质：椭圆编队膨胀或收缩时，在燃料最优脉冲作用下伴随卫星期望的相对位置矢量与同一时刻不施加冲量时的相对位置矢量方向相同；不同膨胀系数时施加脉冲的时刻不变，最优的燃料消耗与膨胀变化量成正比；钟摆式编队膨胀时转移轨迹在参考轨道平面内是轴对称的。最后用仿真验证了算法的有效性。     

编队飞行区域性导航卫星和位置保持

提出一个由4颗地球同步轨道卫星编队飞行组成区域性导航系统方案。采用精确描述相对运动的编队飞行运动学模型，设计编队飞行各卫星轨道参数。在考虑地球同步轨道主要摄动条件下，进行编队飞行队形变化动力学仿真。根据仿真结果，估算区域性导航精度在十米至二十米范围内。除此以外，还研究编队飞行位置保持控制策略和燃料消耗估算。这是至今为止在相同精度和相同覆盖区条件下卫星数量最少的，也是投资经费最低的导航系统方案。     

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。     

分布式卫星编队飞行队形保持协同控制

针对分布式卫星编队飞行队形保持控制问题提出一种分布式协同控制算法,并给出该协同控制算法与编队卫星星间信息传递拓扑结构之间的关系。该协同控制算法以模型预测控制为基础,利用分布式编队卫星的自然特性以及编队卫星之间的信息传递拓扑结构,采用分布式的算法结构,设计分布式的模型预测协同控制算法。该控制算法是一种在线滚动优化控制算法,同时能够较好地解决存在状态约束、控制输入约束等情形下的各种控制问题。最后通过数值仿真验证了结果的有效性。仿真结果表明,当编队卫星星间信息传递拓扑结构中存在生成树时,提出的分布式协同控制算法能够有效地应用到编队卫星队形保持控制问题上来。     

卫星编队队形重构中的模型选择

推导了卫星编队进行燃料最优队形重构时,两组Lawden方程（时间域和真近点角域）下所建立目标函数的数学关系,指出在不需要解析解的情况下,动力学模型应选择时间域下的Lawden方程,目标函数应建立在时间域。首先,分别针对脉冲推力和持续推力机动,研究了两组方程下目标函数的差异。然后,以持续推力式重构方法为例,构造了燃料最优目标函数,基于最大值原理,建立了队形重构的两点边值问题。然后,采用边界迭代法求解初始协态变量,确定最优的控制加速度。最后通过数学仿真验证了模型分析的正确性及算法的有效性。
     

一种分布式卫星构形变换路径规划方法

在一种分层控制体系结构下研究了分布式卫星系统的构形变换问题。以控制量的二次型性能指标作为构形变换控制的优化指标,线性离散模型下的构形变换动力学约束作为基本约束,将构形变换的路径规划问题作为一个二次规划问题求解,并给出了数值仿真的算例。在单个绕飞星构形变换规划算法的基础上,提出了一种整体优化方法,使构形变换过程中整体能量最优,依此作为构形变换的顶层规划方法,并给出了仿真结果。     

Optimal satellite formation reconfiguration actuated by inter-satellite electromagnetic forces

The inter-satellite electromagnetic forces generated by the magnetic dipoles on neighboring satellites provide an attractive control actuation alternative for satellite formation flight due to the prominent advantages of no propellant consumption or plume contamination. However, the internal force nature as well as the inherent high nonlinearity and coupling of electromagnetic forces bring unique dynamic characteristics and challenges. This paper investigates the nonlinear translational dynamics, trajectory planning and control of formation reconfiguration actuated by inter-satellite electromagnetic forces. The nonlinear translational dynamic model is derived by utilizing analytical mechanics theory; and analysis on the dynamic characteristics is put forward. Optimal reconfiguration trajectories of electromagnetic force actuated formation are studied by applying optimal control theory and the Gauss pseudospectral method. Considering the high nonlinearity and uncertainty in the dynamic model, an inner-and-outer loop combined control strategy based on feedback linearization theory and adaptive terminal sliding mode control is proposed with finite-time convergence capability and good robust performance. Theoretical analysis and numerical simulation results are presented to validate the feasibility of the proposed translational model, reconfiguration trajectory optimization approach and control strategy.     

编队飞行小卫星相对姿态控制研究

以四元数作为定位参数对编队飞行小卫星进行相对姿态控制。首先给出了以误差四元数作为反馈量 ,基于参考卫星的相对姿态控制律 ,其次 ,研究了由若干颗相同卫星组成的编队卫星 ,在卫星姿态达到指定的方位时 ,相互之间也要满足一定要求的相对姿态控制律。最后进行了仿真计算 ,说明了两种相对姿态控制的有效性和可行性     

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。     

考虑状态约束的二体旋转库仑卫星系统重构控制

研究考虑控制输入饱和与状态约束的深空旋转二体库仑卫星构型控制问题,只采用卫星之间的库仑力作为控制力,提出一种基于反步法的非线性控制方法。首先推导了二体库仑卫星在地-月系平动点附近的相对运动方程,利用旋转二体库仑卫星的特性,对方程进行了简化。为了完成禁止相对运动区域的回避,设计了新的状态限制辅助函数,结合抗饱和方法与反步法得到了二体库仑卫星的构型控制器。接着证明了由于状态限制辅助函数的加入,所设计的控制器可以保证卫星相对运动不超出限制范围。进一步应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的一致最终有界性。最后在Matlab/Simulink平台上进行了仿真校验,结果表明了方法的有效性。     

微纳InSAR卫星总体技术研究

微纳合成孔径雷达干涉(Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR)卫星是对地定量化遥感的重要手段。开展了微纳InSAR卫星系统总体技术研究，给出了使得干涉测量覆盖范围最大的双星编队构型设计方法，建立了低燃料消耗双星轨道参数设计准则，提出高功能密度比InSAR卫星系统的设计方法，包括载荷平台一体化、卫星高集成模块化等总体设计方法，并给出了相应的设计实例。     

基于轨道摄动解的卫星编队飞行

用完全不同的方法推导出一种两颗卫星相对运动的表达式.首先,它描述的是一颗真实的卫星相对一颗在理想轨道上运动的虚拟卫星的运动,而这正是研究编队飞行所必须的;其次,这个表达式将真实卫星相对虚拟卫星的三维位置表示成虚拟卫星的Brouwer平根数及两卫星轨道根数之差的函数.据此便可以充分应用已有的关于轨道摄动的研究成果.作为一个基本模型,首先讨论了一颗真实卫星相对虚拟卫星形成椭圆型地面轨迹的飞行方式.基于轨道长期摄动的已有结果可以很容易地揭示这种飞行方式的长期变化,从而可以毫无困难地制定出轨道调整的策略.最后还研究了三颗卫星以同一条椭圆轨迹飞行的轨道设计和控制问题,该椭圆以虚拟卫星为中心.     

Fuel consumption and collision avoidance strategy in multi-static orbit formations

This paper analyses the fuel consumption of interferometric radar missions employing small satellite formations like, e.g., Cross-track Pendulum, Cartwheel, CarPe, or Trinodal Pendulum. Individual analytic expressions are provided for each of the following contributions: separation from a simultaneously injected master satellite, formation set-up, orbit maintenance, formation maintenance, and distance maintenance. For this, a general system of equations is derived describing the relative motion of the small satellites in a co-rotating reference frame. The transformation into Keplerian elements is carried out. To evaluate fuel consumption, three master satellites are assumed in different orbital heights, which are typical for Earth observation missions. The size of the exemplarily analysed formations is defined by remote sensing aspects and their respective fuel requirements are estimated. Furthermore, a collision avoidance concept is introduced, which includes a formation separation and formation set-up after a desired time period.     

微纳卫星星座的Kuhn-Munkres匹配部署优化方法

针对将半长轴、升交点赤经、纬度辐角均不同的低轨微纳卫星群部署到同一轨道面不同目标相位的星座部署问题，提出一种基于Kuhn Munkres(KM)匹配的星座部署优化方法。通过KM算法实现卫星和目标纬度辐角的优化匹配，充分利用J 2摄动，使升交点赤经借助半长轴和纬度辐角的部署而得到同步修正，从而节约燃料。仿真结果表明，相比于传统部署方法，在相同约束下，优化后的部署方法使各星平均燃耗减少，各星燃耗量均衡性提高。弥补了传统同轨星座部署中将各星初始位置简化为空间一点且忽略部署过程中的升交点赤经漂移的不足。采用有限常值推力实现轨道机动，适用于携带微推力推进系统的微纳卫星。