航天器近距编队轨道动力学模型及仿真

针对目前航天器近距编队长期飞行中存在的HCW模型精确度不够的问题,提出了利用平均轨道根数线性微分漂移率预测J_2摄动下航天器近距编队相对运动的方法,建立了一种新的航天器近距编队轨道动力学模型.仿真结果表明,解析模型计算得到的相对运动轨道和不考虑J_2摄动影响的相对运动轨道相比,解析模型运算时间很短,精度提高约50%(10个轨道周期之后),证明了模型的有效性和快速性,适合在线运行,同时给出了解析模型的适用范围.     

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。     

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。     

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。     

激光微推进器用于微小卫星的姿轨控仿真

为研究激光微推进器用于微小卫星在轨空间飞行任务的可行性,利用已建立的激光推进微小卫星仿真平台,对微小卫星在轨姿态调整、轨道维持和轨道转移等飞行任务进行了仿真和分析。仿真结果表明,星载激光微推进器可满足在轨微小卫星的高控制精度姿态调整、近地观测轨道维持以及较长时间要求的轨道转移等空间任务对推进系统的要求。     

舵面破损对飞机轴间运动耦合飞行品质的影响

为研究舵面破损对电传控制飞机轴间运动耦合飞行品质的影响,选取了能够反映飞机多轴运动耦合特性的飞行品质评定任务,建立了舵面破损飞机的飞行动力学模型,选取了适用于表征飞机轴间运动耦合程度的特征参数,形成了基于任务的角速率指令式电传控制飞机轴间运动耦合飞行品质的评定方法。采用该方法对具有不同舵面破损程度的算例飞机开展了飞行品质评估试验,得到了能够量化舵面破损对角速率指令式电传控制飞机飞行品质影响的特征参数取值规律。研究结果对于舵面破损情形下飞机飞行安全与作战效能评估等均有一定的理论参考价值。     

航天器相对运动的运动学模型研究

采用运动学方法研究航天器的相对运动.通过对无摄精确相对运动模型的简化,推导了以纬度幅角和平近点角为变量的无摄相对运动方程,并以此模型为基础建立了J2摄动下的相对运动模型,进行了相对轨道的仿真以及模型分析.仿真结果表明,运动学方法能给出较精确的相对运动方程,并且考虑摄动时,采用运动学描述比较简单.     

拖影情况下快速飞行乒乓球体的实时识别与跟踪

快速飞行的乒乓球在图像采集过程中会产生拖影,影响甚至严重干扰对球体位置的准确识别和跟踪.对飞行乒乓球的拖影图像特点及实战型乒乓机器人的实际需求进行分析,在此基础上提出CS-BS-EF方法,将色彩分割、背景减除、椭圆拟合进行综合集成、优势互补,用以检测飞行球体的拖影范围并求取球心位置.实验结果表明该方法能够有效克服拖影影响,比较准确地识别和跟踪高速飞行的球体,且具有良好的抗干扰性、实时性.     

平均轨道根数与密切轨道根数的互换

基于双行轨道根数和简化普适摄动算法,提出平均轨道根数与密切轨道根数的互换算法。以在轨Tan-DEM-X编队的双星为例进行仿真。与传统的只考虑J2项摄动短周期影响的转换算法相比,本文提出的互换算法精度更高：由平均轨道根数转换的密切轨道根数与STK 8软件给出的结果一致;由密切轨道根数转换的平均轨道根数与北美防空司令部公布的双行轨道根数一致。仿真结果表明该互换方法具有科学性和工程应用价值。     

基于相对轨道要素的航天器相对运动碰撞分析

采用基于相对轨道要素的方法,建立了计算碰撺概率的数学模型.在二体圆轨道条件下,推导验证了与基于Clohessy-wiltshire(C-W)方程的碰撞模型的等价关系,并解决了C-W方程存在的若干问题.在航天器近距离相对运动构型设计中提出了基于相对轨道要素的碰撞分析方法,突出了相对轨道要素在构型设计以及碰撞分析中的作用....     

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。     

Satellite formation reconfiguration and station-keeping using state-dependent Riccati equation technique

The current paper presents optimal reconfigurations and formation-keeping for formation flying satellites. The state-dependent Riccati equation (SDRE) technique is utilized as a non-linear controller for both the reconfiguration problem and formation-keeping problem. For the SDRE controller, a state-dependent coefficient (SDC) form is formulated to include non-linearities in the relative dynamics and J₂ orbital perturbation. The Taylor series and a transformation matrix are used to establish the SDC form. Optimal reconfiguration trajectories that minimize energy in satellite formation flying are obtained by the SDRE controller and compared with those obtained from a linear quadratic regulator (LQR) and a linear parameter varying (LPV) control method. It is illustrated that the SDRE non-linear controller of the current study obtains relocation accuracy of less than 0.1% of formation base-line length, while the LQR controller and LPV controller yield relatively large relocation errors. The formation-keeping controller developed using the SDRE technique in the current study also provides robustness under severe orbital perturbations.     

基于Hamilton-Jacobi方程的编队飞行控制

 针对椭圆参考轨道的编队飞行控制系统,基于哈密尔顿 雅克比（Hamilton-Jacobi）方程,给出一种新的生成函数半解析近似解的计算方法,同时推导了编队飞行控制系统相对运动的线性状态转移矩阵,并且验证了模型的精度。在此基础上,结合一个具体的编队飞行任务,采用线性规划算法得到了队形保持的闭环控制器,该算法得到的是脉冲形式的控制序列,因此更具有实际意义。同时还提出了一种简单的避免生成函数奇异点的方法,从而减少了生成函数间相互转换所带来的计算量。最后的非线性仿真结果验证了控制方法的有效性。     

高空环境下超远程火箭的角运动模型

为了分析火箭在高空飞行时的角运动特性,基于牛顿第二定律和动量矩定理,分别在线性气动力和非线性气动力假设下建立了同时适用高低空的火箭角运动模型,分析了模型特点及其与弹道学中角运动模型的差异。结果表明,研究火箭在高空飞行的角运动特性时,应当进一步考虑一些在低空模型中可忽略的项;非线性角运动模型不能通过将非线性气动力直接代入线性角运动模型得到,还将含有一些与迎角平方导数有关的项。所建立的新模型对分析火箭在高空环境下的角运动特性具有一定的参考价值。     

空间环境分子污染对航天器的影响

空间环境分子污染对航天器的影响,是目前高可靠性、长寿命航天器在设计时非常重要的问题之一。通过对国外航天器在轨飞行过程中所发生的分子污染现象的总结,从分子污染的来源、形成过程、与原子氧和紫外辐射等其他空间环境因素间的反应、对航天器敏感表面特性的影响等方面,对分子污染效应做了详细的介绍。并指出,材料的真空放气产物和原子氧剥蚀产物在航天器表面的沉积,是分子污染的主要来源。而在原子氧和紫外辐射的作用下,污染层会发生氧化、固结、暗化等现象,使其外观和成分发生了不同程度的变化,从而对航天器敏感表面的光、电、热控等性能带来了很大程度的影响。     

基于有向图的航天器编队飞行自适应姿态协同控制

在有向通信拓扑下研究了编队航天器自适应姿态协同控制问题。针对航天器编队飞行系统中存在外部扰动和模型不确定性的情况,通过选取包含相对姿态误差和绝对姿态误差的辅助变量,提出了一种鲁棒自适应控制策略。提出了自适应律估计转动惯量矩阵和扰动上界等未知参数,并且利用Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的渐近稳定性。与滑模控制等传统鲁棒控制不同,所设计的鲁棒自适应控制器是连续的,更便于航天器编队飞行系统的实现。最后通过仿真验证了该控制策略能够实现高精度的编队飞行跟踪控制。     

Close relative motion on distant retrograde orbits

Distant Retrograde Orbits (DROs) in the Earth-Moon system have great potential to support varieties of missions due to the favorable stability and orbital positions. Thus, the close relative motion on DROs should be analyzed to design formations to assist or extend the DRO missions. However, as the reference DROs are obtained through numerical methods, the close relative motions on DROs are non-analytical, which severely limits the design of relative trajectories. In this paper, a novel approach is proposed to construct the analytical solution of bounded close relative motion on DROs. The linear dynamics of relative motion on DRO is established at first. The preliminary forms of the general solutions are obtained based on the Floquet theory. And the general solutions are classified as different modes depending on their periodic components. A new parameterization is applied to each mode, which allows us to explore the geometries of quasi-periodic modes in detail. In each mode, the solutions are integrated as a uniform expression and their periodic components are expanded as truncated Fourier series. In this way, the analytical bounded relative motion on DRO is obtained. Based on the analytical expression, the characteristics of different modes are comprehensively analyzed. The natural periodic mode is always located on the single side of the target spacecraft on DRO and is appropriate to be the parking orbits of the rendezvous and docking. On the basis of quasi-periodic modes, quasi-elliptical fly-around relative trajectories are designed with the assistance of only two impulses per period. The fly-around formation can support observations to targets on DRO from multiple viewing angles. And the fly-around formation is validated in a more practical ephemeris model.     

Terminal Sliding Mode Control for Spacecraft Formation Flying

This paper considers the problem of relative motion control for spacecraft formation flying (SFF). Using terminal sliding mode technique, a relative position/velocity tracking control based on the nonlinear model is developed. The presented controller enables rapid formation reconfiguration with feasible fuel cost and strong robustness in the presence of uncertain but bounded disturbances. A nonlinear model with J₂ disturbance and bounded uncertainties is used for dynamic simulation.     

航天器椭圆轨道自主交会的自适应学习控制策略

 提出了一种在缺少绝对轨道信息时的航天器椭圆轨道自主交会方法。利用Lawden方程描述椭圆轨道下的两星相对运动关系,并将方程中的时变参数单独归类。在假设这些时变参数无法得到的情况下,采用Lyapunov方法设计了椭圆轨道下自主交会的参数估计规则和自适应学习控制律。仿真结果表明,在只有相对状态信息的情况下,估计参数有效地跟踪了真实参数的变化,所设计的控制律能够实现椭圆轨道下航天器的自主交会。     

Autonomous attitude coordinated control for spacecraft formation with input constraint,model uncertainties,and external disturbances

To synchronize the attitude of a spacecraft formation flying system, three novel autonomous control schemes are proposed to deal with the issue in this paper. The first one is an ideal autonomous attitude coordinated controller, which is applied to address the case with certain models and no disturbance. The second one is a robust adaptive attitude coordinated controller, which aims to tackle the case with external disturbances and model uncertainties. The last one is a filtered robust adaptive attitude coordinated controller, which is used to overcome the case with input con- straint, model uncertainties, and external disturbances. The above three controllers do not need any external tracking signal and only require angular velocity and relative orientation between a spacecraft and its neighbors. Besides, the relative information is represented in the body frame of each spacecraft. The controllers are proved to be able to result in asymptotical stability almost everywhere. Numerical simulation results show that the proposed three approaches are effective for attitude coordination in a spacecraft formation flying system.