近地卫星编队构形保持方法

针对J2摄动和大气摄动导致低轨编队卫星构型破坏的情况,基于高斯摄动方程给出了以平均轨道根数为被控制量的脉冲控制模型。利用法向脉冲调整轨道倾角和升交点赤经偏差,在轨道上2个位置施加径向和切向脉冲调整其余轨道根数偏差从而修正卫星编队构形。最后通过数值仿真验证了算法的简单性、有效性。     

卫星编队飞行的地球扁率摄动分析

本文研究了地球扁率J2项摄动对卫星编队飞行的影响。首先，给出了编队飞行数学描述，推导了轨道根数和相对运动状态的关系式；然后，将卫星编队的受摄影响分解为整体摄动和相对摄动，分别得到了解析解，重点分析了相对摄动规律。研究结果对卫星编队的设计有一定的参考价值。     

一种利用面质比调整提高编队构形稳定性的方法

分布式卫星编队构形受大气摄动的影响会产生沿航迹方向的相对漂移。通过合理的面质比调整,可以降低漂移,提高构形稳定性。基于包含周日效应的大气密度模型,研究了编队卫星轨道能量耗散的差异,进而指出大气摄动引起的构形漂移与构形初始相位、以及轨道面和太阳密度周日峰方向夹角之间存在的关系。给出解析形式和数值方式2种面质比调整方法,并对后一种方法进行了仿真。仿真结果显示,利用文中给出的面质比调整方法,能够大大提高构形的稳定性。     

受摄椭圆轨道线性相对动力学方程及其运动有界性条件

由于卫星在轨运行要受到各种摄动(特别是J2项摄动)的影响,经典的TH方程并不适合描述椭圆轨道卫星编队的长期运行。基于轨道平根数,推导了考虑J2项一阶摄动的相对轨道动力学方程,给出其近似解,研究了相对运动的有界性条件,最后通过仿真试验验证了该方程。     

用于对地观测定位的编队飞行卫星群轨道构形设计

编队飞行卫星群是一组小卫星,它们具有短的相对距离、相等的轨道半长轴和微小差别的其它轨道要素,它们形成相互伴随运动,并且具有一定的构形。提出将编队飞行卫星群的轨道设计技术应用于对地观测定位卫星系统中。根据设想的要求,针对由四颗伴随卫星围绕基准卫星(或一个虚拟的中心)飞行的轨道设计案例,初步分析了编队飞行卫星群的构形保持,地球引力和大气阻力的摄动影响等问题。     

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。     

基于零J_2摄动条件的近圆轨道编队保持双脉冲最优控制方法研究

重点研究了考虑J2摄动作用的近圆轨道编队构形保持双脉冲最优控制策略.利用轨道要素法建立了考虑J2摄动作用影响的相对运动方程,推导了消除相对摄动影响长期项的零J2摄动条件,并利用该条件对C-W方程得到的编队初始条件进行了修正,得到了对J2摄动不太敏感的相对轨道.然后,基于C-W方程建立了编队保持双冲量最优控制模型,并利用非线性规划方法得到了编队保持所需的最优控制脉冲.仿真结果表明,J2项摄动对相对运动的破坏作用明显减小,提出的双脉冲最优控制方法能够有效实现编队保持的高精度控制.     

椭圆参考轨道卫星编队构形的最优机动控制

研究了椭圆参考轨道编队飞行构形机动中的时间燃耗最优控制问题。以综合体现时间快速性和燃耗最优性的二次型性能指标作为优化准则,将构形机动的时间燃耗最优控制问题转化为一个线性规划问题,从而得到构形机动的最优机动时间以及相应的推力脉冲个数、幅值和作用时刻。最后在不计和计及地球引力摄动的两种不同情况下,分别利用Matlab和STK/Astrogator进行数值仿真,验证了控制算法的有效性。     

大气阻力摄动对卫星编队飞行队形的影响分析

为了分析大气阻力摄动对卫星编队队形的影响,利用相对轨道根数法推导了包含大气阻力摄动的卫星编队相对运动的状态转移方程。仿真结果表明当几何形状和质量不同的两颗卫星在低轨道做编队飞行时,大气阻力摄动对编队队形的影响很大而不能忽略;当主卫星的半长轴相等时,主卫星轨道的偏心率越大编队飞行受大气阻力摄动的影响也越大;大气阻力摄动主要影响编队飞行迹向相对距离。     

航天员舱外相对航天器运动轨迹摄动研究

用轨道根数描述载人航天器运动,在其轨道坐标系(LVLH)中,建立了含地球J2项引力和大气阻力摄动加速度的航天员质心相对航天器的运动模型。在参考轨道存在小偏心率时,对基于圆参考轨道假设推导的航天器编队飞行的线性时变系统状态矩阵进行了修正。仿真结果表明:对偏心率为0.002的航天器轨道,修正后模型所得航天员相对轨迹摄动量在离舱300 s后达到0.8%,是修正前模型的5倍,但计算量增加不超过5%,更适于航天员舱外飞行和近距离编队飞行建模。     

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。     

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.     

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.     

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。     

基于无奇异变换的卫星广播星历拟合算法

针对导航卫星轨道偏心率近似为0,致使卫星轨道的近地点角距定义模糊,在数据拟合过程中会导致法矩阵（H^TH）奇异的问题,本文提出基于无奇异变换的广播星历参数拟合算法,引入无奇异轨道根数代替经典开普勒根数,推导了空间目标位置矢量对基于无奇异轨道根数的广播星历参数偏导数矩阵,利用变换后的观测方程迭代拟合得到改进广播星历参数,再将结果归一化到基于开普勒根数的广播星历参数。最后利用仿真算例验证了所推公式和算法的合理性。     

Secular evolution of rotary motion of a charged satellite in a decaying orbit

An electrostatically charged Earth satellite whose orbit is decaying due to the Earths oblateness is considered. Secular perturbations of the orbit are taken into account: they are caused by the second zonal harmonic of the geopotential. These perturbations represent deviations of the longitude of the ascending node and perigee argument, the orbit form being invariable and the orbit inclination to the equatorial plane being constant. The attitude rotary motion of the satellite under the action of perturbing moments of the gravitational and Lorentz forces is studied. The magnetic field of the Earth is taken in a quadrupole approximation. The evolution of the satellites rotary motion is investigated on the basis of new differential equations in s-parameters specially constructed for this purpose. Using the method of averaging, basic regularities of the secular evolution of rotary motion of a screened satellite are revealed. It is found that the rotary motion of a charged satellite essentially depends on the quadrupole component of the geomagnetic potential.__________Translated from Kosmicheskie Issledovaniya, Vol. 43, No. 2, 2005, pp. 111–125.Original Russian Text Copyright © 2005 by Tikhonov.     

Variation of the Satellite Orbit Altitude by the Light Pressure Force

The possibility of the uncontrolled increase of the altitude of an almost circular satellite orbit by the force of the light pressure is investigated. The satellite is equipped with a damper and a system of mirrors (solar batteries can serve as such a system). The flight of the satellite takes place in the mode of a single-axis gravitational orientation, the axis of its minimum principal central moment of inertia makes a small angle with the local vertical and the motion of the satellite around this axis constitutes forced oscillations under the impact of the moment of force of the light pressure. The form of the oscillations and the initial orbit are chosen so that the transverse component of the force of the light pressure acting upon the satellite be positive and the semimajor axis of the orbit would continuously increase. As this takes place, the orbit remains almost circular. We investigate the evolution of the orbit over an extended time interval by the method which employs separate integration of the equations of the orbital and rotational motions of the satellite. The method includes outer and inner cycles. The outer cycle involves the numerical integration of the averaged equations of motion of the satellite center of mass. The inner cycle serves to calculate the right-hand sides of these equations. It amounts to constructing an asymptotically stable periodic motion of the satellite in the mode of a single-axis gravitational orientation for current values of the orbit elements and to averaging the equations of the orbital motion along it. It is demonstrated that the monotone increase of the semimajor axis takes place during the first 15 years of motion. In actuality, the semimajor axis oscillates with a period of about 60 years. The eccentricity and inclination of the orbit remain close to their initial values.     

卫星编队飞行星间相对运动

为分析编队卫星不同模型间的差异，分别根据动力学和运动学推导了星间相对运动的非线性、线性和相对轨道根数三种模型。以非线性相对运动模型为参考，在相同初始条件下比较各模型的位置误差。仿真结果表明：中心星在圆轨道或近圆轨道上运动时，三个模型结果相差较大。增大中心星轨道偏心率，可减小其位置误差。     

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.     

Formation design in elliptical orbit using relative orbit elements

A new set of relative orbit elements is strictly defined through spherical geometry. The exact transformation equations between the new relative orbit elements and classical-orbital elements are derived. A new relative motion model with no singularity problem is derived based on the relative orbit elements, which are suitable for both elliptical and circular reference orbits. The in-plane and out-of-plane relative motion can be completely decoupled based on the new model. The inverse transformation of state transfer matrix is obtained to analyze perturbation effects and control strategy. The geometric characteristics of relative motion can be easily described using the relative eccentricity/inclination vector method. The proposed method and conclusions are validated by simulation through some typical examples. This paper improves the basic theory of relative orbit elements and unifies the expressions of the elliptical and near-circular close relative motion.