RCD太阳帆航天器人工平动点轨道保持与控制

针对航天器平动点轨道保持问题,研究了含有反射率控制设备(RCD)的太阳帆航天器在日地系共线人工平动点处的轨道保持与控制,同时降低因频繁改变航天器姿态所带来的振动问题。首先,基于太阳帆圆型限制性三体问题,计算了RCD型太阳帆人工平动点位置,给出了太阳帆共线人工平动点三阶Halo轨道,并将其作为参考轨道;然后,将太阳帆动力学方程线性化,采用跟踪控制输出的方法对线性模型进行控制;最后,通过合理选择控制变量矩阵,将控制律代入非线性模型中进行轨道保持控制。仿真结果表明,通过控制RCD太阳帆反射率设备参数及姿态角,实现了长时间的Halo轨道保持,同时大幅减小了太阳帆姿态角的改变,从而减小了帆面振动,为太阳帆航天器长期轨道任务的实现提供了良好的理论依据。     

深空探测器定位在共线平动点附近的线性策略

深空探测器需要定位在日-地(月)系的共线平动点L1或L2附近执行探测任务,但由于共线平动点的不稳定性,必须在运行期间进行轨控。对于条件周期轨道(如晕轨道)必须在控制过程中考虑高次项,控制条件复杂,技术上实现相对困难。而某些探测任务,探测器定位在共线平动点附近的条件拟周期轨道(对应L issajous轨道)上亦可以。这种类型的轨道可以离共线平动点较近,那么只需要在控制过程中考虑线性项即可,控制条件简单。以圆型限制性三体问题作为基本模型,采用预估-校正法逼近线性化模型下的目标轨道,给出在轨运行期间的轨控策略亦是可取的,这种控制措施相对而言较简单,容易实现。仿真计算结果表明是可行的,能够提供较高的位置精度。     

WSO／UV（世界空间紫外天文台）的轨道特征与轨道保持

WSOO／UV(世界空间紫外天文台)需要发射到日-地(月)系的共线平动点L1附近进行巡天观测，相对日-地(月)要求其几何位置几乎不变，因此有必要阐明共线平动点的动力学特征及其附近的运动状况。本文基于这一点，对限制性三体模型下，日-地(月)系中共线平动点附近扰动运动的稳定性作了理论分析，给出了WSO／UV轨道保持的条件及其在运行阶段的轨控措施。     

应用非线性模型预测控制的绳系卫星Halo轨道保持控制

针对哑铃型绳系卫星在圆形限制性三体问题(CRTBP)中的Halo轨道保持控制问题,应用非线性模型预测控制(NMPC)方法设计了Halo轨道保持控制器。首先采用摄动法得到目标Halo轨道,通过跟踪目标轨道上一运动点,将其转化为目标跟踪控制问题,然后设计非线性模型预测控制器对其进行跟踪控制。利用4阶Ronge-Kutta法对原非线性模型进行离散化,将预测控制中的有限时域最优问题转化为非线性规划问题进行求解,得到下一周期的控制量。最后通过数值仿真验证了即使在初始位置偏差较大的情况下,所设计的控制器只需要很少的速度增量就可使绳系卫星系统运动至目标轨道,并精确地保持在目标轨道上。     

地月系共线平动点探测器的星上轨道预报问题

针对定点在地月系共线平动点附近运动的探测器，研究其轨道预报问题，并探讨了星上外推预报时的力模型简化问题。首先定量分析了共线平动点L1和L2附近探测器的受力情形；然后构造了真实力模型下这些点附近的目标轨道并研究了其误差传播规律，指出这类轨道相比一般卫星轨道预报的不同特征；最后结合星上有限的计算和存储资源限制探讨了力模型的简化问题。此项工作可为定点在平动点附近的探测器的星上预报提供参考。     

太阳辐射对ER3BP拉格朗日点的影响

为了研究Halo轨道中继通信以及行星际轨道转移等问题,需要首先对拉格朗日点(平动点)的理论进行分析。使用考虑太阳辐射的椭圆型限制性三体建模,代替原有的圆型限制性三体建模,提高了建模的精度。提出了在L1,L2,L3点的更为精确的新解析解,经过Matlab仿真,其相对于精确数值解的误差,分别为Ammar的解析解的13.13%,29.51%,0.46%。     

基于圆型限制性三体问题模型的行星卫星逃逸能量研究

 基于由飞行器、行星及其卫星组成圆型限制性三体问题模型，通过庞加莱映射的方法，研究了飞行器从行星卫星附近逃逸的问题。在Jacobi常数确定的前提下，通过逆向积分，飞行器从L1或L2点附近返回近月点，得到近月点速度出发速度。研究结果表明绕飞L1点和L2点逃逸行星卫星需要的最低能量是不同的，从月球表面逃逸所需的速度脉冲分别比开普勒算法节省46.5m/s和42.3m/s，且均小于Villac等人在Hill模型下得到38.9m/s，从而改进了Villac等人的相关工作，同时也给出了从太阳系主要行星卫星表面逃逸所需的最小能量。     

基于大幅值Lyapunov轨道的地月转移轨道设计研究

基于平面圆形限制性三体问题模型,利用与绕月轨道相切的大幅值Lyapunov周期轨道,提出了一种新的地月转移轨道设计方法。根据Poincaré截面与限制性三体问题动力学系统对称性计算得到的大幅值Lyapunov轨道,通过与绕月轨道拼接,将地月转移问题转化为地球到大幅值Lyapunov轨道的转移问题。为保证探测器能够从近地轨道（LEO）切向逃逸到达大幅值Lyapunov轨道,通过计算其稳定流形,采用最近点作为Poincaré截面的终止条件求解探测器的初始状态,并根据初始状态完成地月轨道的设计。仿真结果表明,该地月转移策略相比于Hohmann转移,在同样只需要两次速度增量的前提下,约节约100 m/s的速度增量,该研究为地月转移轨道的设计提供了一种新思路。     

地球同步卫星漂移率和偏心率单脉冲联合控制策略

在分析地球同步卫星漂移率和偏心率控制原理的基础上,提出了应用太阳同步偏心率控制模式,对经度漂移率和偏心率进行单脉冲联合控制的策略。该策略通过缩小漂移环半宽和偏心率保持圆半径的方法构建轨道修正模型,使得在太阳同步偏心率控制模式下,漂移率和偏心率控制所需速度增量相等且两者位保周期相同。数学模型和仿真结果表明,应用该策略进行东西位保,全年所需速度增量等于漂移率控制所需速度增量且轨控时刻固定,可以使漂移率和偏心率都达到精度要求。     

小推力航天器的地月低能转移轨道

 在限制性四体模型下研究基于小推力方式的地月低能转移问题,通过借助于平动点轨道的相空间结构来揭示小推力转移的机理。重点研究了小推力转移自由飞行段的构造：经由LL₁点穿越获得最小能量的低能转移;而经由LL₁点Halo轨道穿越,得到(M,N)圈穿越轨道;由于Halo轨道相对于平动点增加了一维度的选择,根据(2,2)圈穿越轨道构造该转移的自由飞行段。在地球势阱逃逸和月球势阱捕获段,分别设计了合适的小推力的控制律及发动机开/关机时间,成功实施近地球段的小推力加速和近月球段的减速。尽管未对所得到的结果进行优化,所得转移轨道的燃料消耗也与类似边界条件的SMART-1轨道基本一致。     

Autonomous navigation to quasi-periodic orbits near translunar Ubration points

Libration-point missions have been very useful and successful. Due to the unstable natures of most of these orbits, the long-time stationkeeping demands frequent maneuvers and precise orbit determinations. Earth-based tracking will have to undertake much more responsibilities with the increasing number of libration missions. An autonomous navigation system could offer a better way to decrease the need for Earth-based tracking. Nevertheless, when an autonomous navigation system is applied, there are three important factors affecting autonomous navigation accuracy, i.e., the accuracy of initial conditions, the accuracy of measurements, and the accuracy of onboard dynamics for propagation. This paper focuses on analyzing the influence from the third factor and finding an appropriate navigation dynamics, which can satisfy the requirement of estimation accuracy but not cause too much burden for onboard computation. When considering the restricted three-body model and the bicircular restricted four-body model as navigation dynamics, the astrin- gency is not shown during the simulations. Meanwhile, when considering the influences of the Sun＇s direct and indirect perturbations and the eccentricity of the Moon＇s orbit, a new navigation dynamic model with the standard ephemerides is proposed. The simulation shows the feasibility of the proposed model.     

混合小推力航天器日心悬浮轨道保持控制

针对太阳帆、太阳电混合推进航天器日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究。为解决基于局部线性化模型设计轨道保持控制器时存在的控制精度不高、模型精确性过度依赖等问题,应用自抗扰控制(ADRC)技术设计了轨道保持控制器。首先,采用圆形限制性三体问题(CRTBP)模型推导了混合小推力航天器日心悬浮轨道动力学方程;然后,考虑系统模型不确定性和外部扰动,提出了一种基于扰动估计和补偿的轨道保持控制方法;最后,数值仿真表明存在系统模型不确定性、初始入轨误差及地球轨道偏心率扰动等因素的情况下,所设计的控制器仅需很小的速度增量即可实现高精度的日心悬浮轨道保持控制。     

高速开关阀控电液位置伺服系统自适应鲁棒控制

为研究高精度的液压缸位置跟踪控制问题，设计了高速开关阀和换向阀组合控制液压缸的结构方案，并通过实验分析了高速开关阀的静态流量特性。建立了液压缸的连续可微摩擦模型，利用粒子群优化算法对其参数进行辨识。建立了系统的非线性数学模型，基于非连续参数映射和反步法设计了直接自适应鲁棒控制器，通过参数在线自适应调节来更新估计值和鲁棒反馈项支配参数不确定性，实验结果表明:在跟踪幅值为5mm，频率为0.4Hz的正弦信号时，最后一个周期的最大跟踪误差、平均跟踪误差及其标准差分别为0.638、0.25mm和0.405mm，与传统PID控制器相比，控制精度显著提升，旨在为实现高精度的数字阀控位置伺服技术提供有价值的参考。      

无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制

提出了一种无速度反馈的航天器姿轨耦合跟踪控制算法。首先建立起基于对偶四元数的带扰动和参数不确定性的航天器姿轨耦合动力学模型。然后基于浸入与不变流形理论设计了速度观测器,通过增益注入对非线性项抑制,从而同时估计角速度和线速度。利用李雅普诺夫函数分析了观测器状态量的收敛性以及注入增益的有界性,证明了该观测器的指数稳定性。最后设计了一个比例-微分（PD）位置与姿态跟踪控制器,该控制器可以实现航天器的任意姿态与位置跟踪,分析了这种观测-控制结构的闭环系统渐近稳定性。仿真验证了该速度观测器和控制器的有效性以及对于参数不确定性和测量噪声具有较好的鲁棒性。     

An improved numerical method for constructing Halo/Lissajous orbits in a full solar system model

An improved numerical method that can construct Halo/Lissajous orbits in the vicinity of collinear libration points in a full solar system model is investigated. A full solar system gravitational model in the geocentric rotating coordinate system with a clear presentation of the angular velocity relative to the inertial coordinate system is proposed. An alternative way to determine patch points in the multiple shooting method is provided based on a dynamical analysis with Poincare′sections. By employing the new patch points and sequential quadratic programming, Halo orbits for L_1, L_2, and L_3 points as well as Lissajous orbits for L_1 and L_2 points in the EarthMoon system are generated with the proposed full solar system gravitational model to verify the effectiveness of the proposed method.     

Nonlinear dynamics and station-keeping control of a rotating tethered satellite system in halo orbits

The dynamics of a rotating tethered satellite system （TSS） in the vicinity of libration points are highly nonlinear and inherently unstable. In order to fulfill the station-keep control of the rotating TSS along halo orbits, a nonlinear output tracking control scheme based on the θ- D technique is proposed. Compared with the popular time-variant linear quadratic regulator （LQR） controller, this approach overcomes some limitations such as on-line computations of the algebraic Riccati equation. Besides, the obtained nonlinear suboptimal controller is in a closed form and easy to implement. Numerical simulations show that the TTS trajectories track the periodic reference orbit with low energy consumption in the presence of both tether and initial injection errors. The axis of rotation can keep pointing to an inertial specific object to fulfill an observation mission. In addition, the thrusts required by the controller are in an acceptable range and can be implemented through some low-thrust propulsion devices.