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。     

共面快速受控绕飞轨迹设计与控制

绕飞运动在航天器在轨服务与在轨支援、辅助航天员舱外活动、航天器编队飞行、空间交会对接等空间活动中具有重要应用。分析了快速受控绕飞的可行性和主要过程，建立了适用于目标航天器运行在圆轨道上的共面快速绕飞和进入绕飞与退出绕飞的轨迹设计模型，采用多速度脉冲控制方法和等角度，等时间控制方式对绕飞轨迹进行控制。仿真计算结果表明所提出的快速受控绕飞轨迹设计模型和控制方法可以实现对圆轨道目标航天器的共面快速受控绕飞。     

椭圆参考轨道水平圆构形编队设计与演化

以椭圆参考轨道周期性线性绕飞条件为约束,给出了形式简单直观的椭圆参考轨道周期性相对运动的解析解。该解析解消除了Carter解中的定积分项,具备简单的表达形式,可方便快速地设计椭圆参考轨道编队卫星的构形。通过对周期性解析解的直观分析,设计了椭圆参考轨道水平圆编队构形,将水平圆构形的设计由传统的圆参考轨道推广到椭圆参考轨道;分析了椭圆参考轨道水平圆构形的特点,并研究了它的演变规律。该研究加深了对椭圆参考轨道周期性相对运动的理解,扩展了水平圆编队的应用范围。     

卫星快速绕飞轨迹设计与制导

快速绕飞在航天器近距离观测、空间目标识别与侦察、在轨服务与应急情况处理活动中具有重要应用。首先建立了适用于目标航天器运行在圆轨道或椭圆轨道的相对运动状态转移矩阵;然后,推导了采用多脉冲控制方法实现与目标航天器共面和异面快速绕飞、进入绕飞和退出绕飞的轨迹设计与制导的模型和算法;最后,分析了绕飞过程速度脉冲需求与绕飞参数的关系。仿真计算结果表明所提出的快速绕飞轨迹设计模型和制导算法可以用于对圆轨道或椭圆轨道目标航天器的共面或异面快速绕飞。     

一种绕飞编队卫星星间链路系统的总体设计方法

为了建立高精度相对定位编队卫星的星间链路,提出了一种基于GPS的绕飞编队卫星星间链路系统设计方法。针对我国首次以InSAR为背景的任务,以某绕飞编队星座星间链路系统总体方案为例,利用STK/MATLAB分析软件,对天线覆盖区与组阵进行了仿真分析,并根据分析结果做了系统优化,包括星间轨道构型、天线设计组阵图、天线安装位置、链路预算、星间通信措施设计分析以及电磁兼容性分析等。结果表明:基于GPS的编队卫星能够从系统角度优化设计建立星间链路,从而完成编队跟飞、绕飞期间的星间通信与测量任务,为卫星建立星座构型、相对定位测量提供了可靠、稳定的传输通道。该设计方法可为同类卫星或其他类型卫星星间链路系统设计提供参考。     

小卫星编队绕飞构型运动学设计与分析研究

基于运动学的相对运动数学模型,利用物理意义更明确的绕飞方程进行了小卫星绕飞轨道的设计.根据绕飞轨道方程,重点分析了4类常用的绕飞编队构型:同绕飞轨道编队、同面同绕飞中心编队、异面同绕飞中心编队和多绕飞中心编队,总结分析了各种编队轨道设计的约束条件,获得了一般规律性结论.最后通过仿真验证了所提出的绕飞编队轨道设计方法和结论的正确性.     

空间目标多星多角度实时近距离三维详查研究

针对现有观测卫星近距离观测研究较少关注详查等任务特性的现状,设计分析了可实时、全覆盖、近距离观测空间目标的卫星编队构型。综合考虑绕飞相对轨道运动、传感器视场参数、旋转目标坐标转换等因素,简化了空间目标模型,将其表面进行网格离散。分析了各网格被单颗观测卫星观测的情况,统计详查覆盖率、详查最短时间,分析不同绕飞距离对任务特性的影响;设计卫星观测光轴转动策略和多星编队协同观测策略,通过数值算例分析不同策略对卫星近距离观测任务的影响。结果表明:所设计的绕飞编队观测构型可满足实时、全覆盖观测空间目标的要求,可应用于绕飞监测、协同操作等近距离空间在轨操作任务。     

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。     

摄影测量卫星绕飞编队设计及其三维定位研究

在现代卫星摄影测量中,由多颗小卫星组成的卫星编队具有比单颗卫星更优越的性能,能提供更高的空间分辨率和时间分辨率.通过对绕飞编队特性的研究,提出了一种适于摄影测量的卫星绕飞编队构形.该卫星编队具有空间构形不变、覆盖范围大,图像比例尺一致等优点.对地三维定位仿真的实验结果表明基于卫星编.队拍摄的具有航向和旁向充分重叠的区域网图像,在摄像机光心坐标精确确定的条件下,利用光束法区域网平差就可以确定地面目标点坐标,即用空中控制完全代替地面控制是可行的.     

摄影测量卫星绕飞编队设计及其三维定位研究

在现代卫星摄影测量中，由多颗小卫星组成的卫星编队具有比单颗卫星更优越的性能，能提供更高的空间分辨率和时间分辨率。通过对绕飞编队特性的研究，提出了一种适于摄影测量的卫星绕飞编队构形。该卫星编队具有空间构形不变、覆盖范围大，图像比例尺一致等优点。对地三维定位仿真的实验结果表明：基于卫星编．队拍摄的具有航向和旁向充分重叠的区域网图像，在摄像机光心坐标精确确定的条件下，利用光束法区域网平差就可以确定地面目标点坐标，即用空中控制完全代替地面控制是可行的。     

不同月球借力约束下的地月Halo轨道转移轨道设计

针对地月系L2点不同任务需求下的低耗能转移轨道设计问题,基于不变流形理论与混合优化技术,深入研究了不同月球借力约束与不同幅值Halo轨道的入轨点（简称HOI点）对转移轨道飞行时间与燃料消耗的影响,给出了HOI点选择策略。首先结合任务要求并考虑月球引力影响,在月球借力点施加不同约束条件,通过微分修正算法调整Halo轨道的稳定流形,设计月球到Halo轨道的转移轨道。采用遗传算法与微分修正算法相结合的混合优化策略,在同时考虑地球停泊轨道高度、倾角、升交点赤经与航迹角等多约束条件下,对燃料最优的地月转移轨道进行研究。最后,分析月球借力高度、借力方位角和不同HOI点对平动点转移轨道飞行时间与燃耗变化量的影响,对于考虑月球借力的地月平动点转移轨道设计与应用具有重要的参考价值。     

高分辨率卫星遥感图像的偏流角及其补偿研究

卫星遥感采用高分辨率TDICCD相机时，由于地球的旋转产生图像运动的偏流角，偏流角对这种遥感图像的质量影响较大，需要进行补偿，并通过遥感视线的校正实现。补偿的首要工作是确定图像运动的偏流角和遥感视线的修正量。基于航天器飞行动力学原理，本文求出了各种近地轨道的偏流角、偏流角角速度，把遥感视线的校正分成粗校正和精校正，并给出了修正量的确定方法。针对椭圆轨道和圆轨道情况的偏流角及修正量的计算，验证了本文算法的有效性。     

在轨目标逼近远程导引律设计

利用最优多脉冲方法,对目标航天器逼近过程的远程导引段轨道进行设计.基于Lawden主矢量理论,解决固定时间、燃料最省的逼近轨道问题.通过仿真分析了固定初始条件时燃料消耗量随着转移时间的变化关系.对于燃料和时间均有约束的情况,给出了求解燃料最省和时间最小的多目标优化问题的方法.这一研究对于评估具体任务的燃料消耗和转移时间有重要意义.     

Design and implementation of the flight dynamics system for COMS satellite mission operations

The first Korean multi-mission geostationary Earth orbit satellite, Communications, Ocean, and Meteorological Satellite (COMS) was launched by an Ariane 5 launch vehicle in June 26, 2010. The COMS satellite has three payloads including Ka-band communications, Geostationary Ocean Color Imager, and Meteorological Imager. Although the COMS spacecraft bus is based on the Astrium Eurostar 3000 series, it has only one solar array to the south panel because all of the imaging sensors are located on the north panel. In order to maintain the spacecraft attitude with 5 wheels and 7 thrusters, COMS should perform twice a day wheel off-loading thruster firing operations, which affect on the satellite orbit. COMS flight dynamics system provides the general on-station functions such as orbit determination, orbit prediction, event prediction, station-keeping maneuver planning, station-relocation maneuver planning, and fuel accounting. All orbit related functions in flight dynamics system consider the orbital perturbations due to wheel off-loading operations. There are some specific flight dynamics functions to operate the spacecraft bus such as wheel off-loading management, oscillator updating management, and on-station attitude reacquisition management. In this paper, the design and implementation of the COMS flight dynamics system is presented. An object oriented analysis and design methodology is applied to the flight dynamics system design. Programming language C# within Microsoft .NET framework is used for the implementation of COMS flight dynamics system on Windows based personal computer.     

Autonomous guidance and control of Earth-orbiting formation flying spacecraft: Closing the loop

Previous work on autonomous formation flying guidance and control identified three key challenges to overcome in order to obtain a fully autonomous guidance and control loop: an accurate but simple model of relative motion about elliptical and perturbed orbits, an efficient way of performing conflicting requirements trade-off with power-limited on-board computers, and finally an optimal or near-optimal control algorithm easy to implement on a flight computer. This paper first summarizes recent developments on each of these subject that help to overcome these challenges, developments which are then used as building blocks for an autonomous formation flying guidance and control system. This system autonomously performs trade-offs between conflicting requirements, i.e. minimization of fuel cost, formation accuracy and equal repartition of the fuel expenditure within the formation. Simulation results show that a complete guidance and control loop can be established using mainly analytical results and with very few numerical optimization which facilitates on-board implementation.     

Autonomous guidance and control of Earth-orbiting formation flying spacecraft: Closing the loop

Previous work on autonomous formation flying guidance and control identified three key challenges to overcome in order to obtain a fully autonomous guidance and control loop: an accurate but simple model of relative motion about elliptical and perturbed orbits, an efficient way of performing conflicting requirements trade-off with power-limited on-board computers, and finally an optimal or near-optimal control algorithm easy to implement on a flight computer. This paper first summarizes recent developments on each of these subject that help to overcome these challenges, developments which are then used as building blocks for an autonomous formation flying guidance and control system. This system autonomously performs trade-offs between conflicting requirements, i.e. minimization of fuel cost, formation accuracy and equal repartition of the fuel expenditure within the formation. Simulation results show that a complete guidance and control loop can be established using mainly analytical results and with very few numerical optimization which facilitates on-board implementation.     

On solving the problems of optimization of trajectories of many-revolution orbit transfers of spacecraft

The problem of optimal control over many-revolution spacecraft orbit transfers between circular coplanar orbits of satellites is considered. The spacecraft flight is controlled by a thrust vector of a jet engine with restricted thrust (JERT). The mass expenditure is minimized at a limited time of flight. The optimal control problem is solved based on the maximum principle. The boundary value problem of the maximum principle is solved numerically using the shooting method. A modified computation scheme of the shooting method is suggested (multi-point shooting), as well as a method (correlated with the scheme) of choosing the initial approximation with the use of a solution to the optimization problem in the impulse formulation. The scheme and method allow one to construct many-revolution spacecraft orbit transfers.     

地月空间NRHO与DRO在月球探测中的应用研究

针对地月系统三体问题低能往返轨道转移在月球探测中的应用研究，结合天体借力飞行技术与混合优化技术，系统分析了不同目标轨道与借力方位对任务飞行时间与燃料消耗等关键参数的影响，给出了往返轨道设计初值的选择策略。针对轨道设计初值猜想问题，首先采用遗传算法与二体Lambert转移快速确定轨迹拼接点初值。在同时考虑近月点与近地点多约束条件下，基于序列二次规划算法与多重打靶法进一步对燃料最优的地月往返轨道进行研究，并推导了约束方程解析梯度提高设计效率。最后分析近月点高度、不同目标轨道的转移时间与燃耗变化特性，对于考虑月球借力的地月空间轨道往返转移设计及参数选取具有重要的参考价值。     

卫星编队飞行相对轨道的确定

卫星之间相对轨道的确定对于多颗卫星编队飞行的控制和任务是十分重要的。结合空间圆形的编队飞行星座，本文给出了描述卫星近距离运动的C-W方程，讨论了空间圆形的编队卫星星座的构成，进而设定了利用激光仪测量星间位置矢量，并设计了Kalman滤波器来实现相对轨道的确定，分析和仿真结果表明，Kalman滤波器能够有效提高相对位置确定精度并给出相对速度的高精度估计。     

编队飞行卫星群的轨道动力学特性与构形设计

编队飞行卫星群由一些相对距离近的小卫星组成,在严格的条件下,若干颗伴随卫星环绕一颗中心卫星作相对运动,相对轨道为特别性质的椭圆,本文研究了编队飞行卫星群的轨道动力学特性,提出了编队飞行的轨道构形设计的原则和方法。