在地球扁率摄动下的卫星编队飞行控制

卫星编队飞行的难点之一是在干扰力环境下控制队形。采用了一种基于线性二次调节器(LQR)的最优控制方法，对低轨道地球卫星所受的地球扁率摄动(J2力)加以模拟，并在模拟的地球低轨道J2力环境中。对几种卫星编队进行了模拟控制，从控制精度和能量消耗的角度对控制方法进行了分析，提出了卫星编队飞行中相对距离控制和绝对距离控制需要注意的问题。     

中间轨道实用化的进一步探讨

对于受摄二体问题,通常都是处理成一个变化椭圆轨道问题。而对于强摄动情况,椭圆变化太快,人们希望能找到另一种更接近真实运动的所谓中间轨道来代替椭圆轨道。特别针对一些环绕大行星(包括地球)或小行星运行的低轨卫星(探测器),因中心天体的扁率影响较大,给出了几类中间轨道。如Vinti型中间轨道,它可完整地包含扁率项的摄动影响。但它毕竟不能完全反映中心天体的非球形引力作用,在此基础上再去求各种剩余摄动是否简单,人们作了一些有益的探讨。本文就是在此背景下对Vinti型中间轨道的实用化作进一步的深入探讨。结果表明,对一些特殊的中心天体,中间轨道还是有一定实用价值的。     

高轨卫星的轨道寿命

地球,月球和各大行星的卫星（自然卫星或人造航天器）运动,基本上可处理成考虑主星扁率的限制性三体问题,对于绕主星m1(作为中心天体）运动的高轨卫星,摄动源即主星m1的扁率（非球形引力修正项J2）和另一主星m2的引力（亦称第三体引力摄动）。这类卫星的轨道寿命主要取决于主星m1扁率的大小,卫星的高度和相对主星m1赤道面的轨道倾角,对于高轨卫星,当倾角较大时,轨道寿命将不会很长,由于第三体的引力摄动,轨道偏心率有变幅较大的长周期变化,在运动过程中,其值将会大到使得轨道的近星距rp=a(1-e)≤a,卫星落到主星m1,这里a是主星m1的赤道半径 。     

星座碰撞规避的迭代学习构型保持方法CSCD

针对低轨卫星星座运行中地球引力摄动的周期特性,基于迭代学习控制(ILC)方法,提出了星座碰撞规避的迭代学习构型保持方法。该方法由反馈控制和ILC两部分构成,分别抑制卫星运行过程中的非周期摄动和周期摄动对构型保持精度的影响,进而在地球非球形引力摄动未知条件下,通过相对构型的精确保持实现对星座卫星碰撞的有效规避。仿真结果表明,在地球J摄动影响下,与传统反馈控制相比,ILC方法以更小的控制输入实现了轨道保持精度的显著提升,进而在星座卫星轨道高度相近的情形下显著降低了碰撞风险,且控制器可在保证收敛性能的前提下,实现启动时间的灵活选择。     

地球非球形对卫星轨道的长期影响及补偿研究

首先建立了地球非球形引力摄动模型,通过对地球非球形引力摄动对卫星轨道的长期影响分析发现,地球非球形引力摄动对卫星轨道升交点赤经和沿迹角的漂移量与时间成近似线性关系;然后推导了通过主动偏置半长轴和倾角的方法来补偿摄动长期影响的计算公式,设计了基于仿真的地球非球形引力摄动补偿方法;最后对GlobalStar星座卫星进行仿真与试验.结果表明,设计的补偿方法是可行的,摄动补偿后在地球非球形引力摄动作用下卫星轨道的长期稳定性得到了很好的保持.     

登月轨道的受摄模型及受摄影响的估计

登月轨道穿越了两个引力作用范围（地球和月球），把登月轨道近似看作两个受摄二体问题轨道的拼接，考虑到登月轨道的具体特点后，选择了满足精度要求的数值积分工具和摄动模型并将其简化。     

近地卫星严格回归轨道保持控制

研究了近地卫星基于严格回归参考轨道的轨道保持控制方法：将卫星编队理论引入单星绝对轨道保持控制,提出了"虚拟卫星编队"的概念,分析了卫星轨道相对于参考空间轨迹在轨道摄动情况下的偏离状态及变化趋势,然后根据卫星编队相对运动学,推导出了偏离状态与虚拟卫星编队构形参数之间的对应关系,并设计了以轨道参数超调、偏置及阈值触发为特征的管道保持控制策略。数值仿真结果表明,使用该控制策略能够将卫星轨道保持在以空间参考轨迹为中心的轨道管道内,并且有效减少了因周期性轨道摄动波动造成的管道保持控制量和控制频次。研究成果对于有空间轨迹回归要求的卫星轨道保持控制具有指导意义。     

基于平均轨道根数的飞船伴飞卫星控制方法

给出一种基于平均轨道根数的伴飞卫星控制方法。首先介绍二体轨道条件下利用超几何函数法解算二次冲量控制问题的基本思想,在此基础上通过n次修正法应用到摄动条件下的轨道模型;通过引入平均轨道根数的概念,对航天器编队构形进行控制,消除短周期摄动对轨道的影响,长期有效地控制构形维持。同时讨论对跟飞和圆形伴飞编队进行构形维持的起控条件的确定方法。     

太阳同步卫星轨道参数的容许偏差分析

飞行任务对卫星轨道提出指标要求，这些指标决定了卫星轨道参数的容许偏差范围。结合太阳同步(准)回归轨道卫星的轨道特性，针对覆盖重叠率、太阳同步等指标，使用解析方法讨论了大气阻力摄动影响下轨道参数的容许偏差，通过分析可以初步确定轨道控制策略及能量需求，最终为轨道保持方法的设计提供参考和依据。     

编队飞行卫星轨道的初步设计研究

使用两体相对运动的Hill方程进行小卫星编队飞行队形的初步设计，给出了编队飞行中各绕飞小卫星的轨道要素确定过程。以空间圆形编队为例，在未考虑摄动的情况下，通过仿真验证了设计的有效性。     

小卫星编队飞行的相对运动学方程研究

以运动学方法为基础研究了编队卫星相对运动的一种更直接方法，利用不同天体力学特性，将相对位置和速度与相对轨道参数建立了联系，首先，详细推导了以运动学方法为基础的相对运动方程，据此可直接得出环绕卫星的轨道根数，其次，为有利于相对轨道分析和设计，对相对运动方程进行了简化，最后，通过例子验证了该方法的正确性，仿真结果表明该方法是有效可行的。     

重力姿轨耦合效应引起的太阳能电站轨道共振

以任意相控阵天线式空间太阳能电站为研究对象,主要研究了其在轨运行过程中受到的重力姿轨耦合效应对其轨道运动的影响。首先,通过Hamilton原理建立起考虑重力姿轨耦合效应时的姿态运动和轨道运动的方程。其中,任意相控阵天线式空间太阳能电站被简化成刚体,它的重力势能以其结构尺寸和其轨道半径的比值为小量进行泰勒展开,并保留至二阶项。之后,采用解析的方法对方程进行分析,并发现当电站的姿态运动满足一定条件时,其轨道运动将会出现共振现象。此外,重力姿轨耦合效应还会引起空间太阳能电站轨道运动长期的漂移,通过选择合适的轨道运动初始条件可以消除漂移;而且,在一定条件下,重力姿轨耦合效应还会引起轨道运动的发散。最后,数值仿真结果验证了分析的正确性。     

绕飞慢自旋小天体的航天器运动分析

针对可以用三轴椭球体近似建模的小天体,给出了非球形引力势函数,建立了航天器绕飞小天体的轨道动力学方程。利用Jacobi积分常数绘制了探测器在小天体周围的零速度曲线,并分析了探测器的可能运动区域,给出了航天器不碰撞小天体的边界条件。针对绕飞慢自旋小天体的情况,基于平均轨道根数的近似解分析了小天体扁率和椭率的摄动影响,并给出了几条冻结轨道及其稳定条件。     

小卫星编队飞行队形设计与轨道要素确定

用两体相对运动的线性Hill方程进行了小卫星编队飞行队形的初步设计，并给出编队飞行中各绕飞小卫星轨道要素的确定过程，以空间圆形编队为例，在未考虑摄动情况下，通过仿真验证了Hill方程在小卫星编队队形初步设计中的有效性。     

基于轨道方程线性化的中段飞行轨道修正方法

对于深空探测、大范围远程交会、抵近观察等中段飞行时间较长的航天任务,中段轨道修正是完成任务的重要保证.基于摄动制导的思路,通过对轨道方程进行线性化,研究了二体条件下的中段轨道修正方法.在近地航天任务中,各种摄动力特别是J2项对终端位置精度的影响不可忽略,因此研究了考虑J2摄动影响时线性化方程的补偿方法.最后通过数值仿真...     

一种共轨道面双星环绕编队飞行的方法

应用Tschauner-Hempel方程，对航天器近距离相对运动进行了分析，得出实现编队飞行条件，并给出了用两次脉冲推力实现双星共轨道面椭圆环绕编队飞行的方法，仿真结果表明，两次0．55m/s的脉冲推力可以实现500km参考轨道上长半轴为2km的椭圆环绕编队构形。