摄动对编队飞行星座相对构型的影响分析

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，分别研究了大气阻力摄动、日月引力摄动、太阳光压摄动和地球扁率摄动对编队飞行星座的构型影响，着重分析了地球扁率摄动周期项和长期项对构型的影响，并以此对编队轨道设计提出建议。     

远距离逆行轨道上的近距离自然及受控编队

远距离逆行轨道（DROs）是地月空间中一族稳定的周期轨道，适用于地月空间站等长期任务。为维持任务的长期存在，交会对接及编队飞行等任务是必要的。因此有必要分析远距离逆行轨道上的近距离相对运动解，并进行编队设计。首先，基于Floquet理论得到了远距离逆行轨道上的近距离线性化相对运动的基础解集，并对其解进行了分类与分析。其次，以基础解集中的自然周期解为基础设计了伴飞编队，并对其特性进行了全面分析。之后，针对圆形受控绕飞编队做了详细的分析，可用于指导后续受控编队的设计。最后，设计了两点之间的安全转移编队，可用于任意两点之间的转移，并保证转移过程中主星与副星之间具有足够的安全距离。     

基于构型控制的多平台协同轨迹规划

编队卫星的整体机动需要充分考虑各成员之间的协同运动关系,同时到达和不分散/不碰撞是其应满足的约束条件。首先基于C-W方程和Lawden方程得出了参考轨道为圆轨道/椭圆轨道下的周期性相对运动条件,针对不同飞行任务要求(对应中心航天器不同转移轨道),提出了一种整星编队机动的规划策略。仿真结果表明,该规划方法实现简单,且能满足编队协同运动的约束条件。     

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。     

火星探测器飞行轨道设计

在一些基本假设的基础上,初步设计了从地球停泊轨道发射探测器到达火星的飞行轨道。运用圆锥曲线拼接法,设计了采用双共切和单共切两种不同的日心段转移方式时,探测器日心段、地心段和火星中心段的飞行轨道,并分析比较了这两种设计方法的特点。根据限制性二体问题动力学模型,仿真计算了探测器在不同轨道段的飞行轨迹,结果表明,探测器可以按照所设计的轨道飞行到达火星,并被其捕获,成为环绕火星飞行的卫星。     

航天器燃耗最优轨道直接/间接混合法延拓求解

针对转移时间和始末状态固定的航天器燃耗最优轨道的求解,给出了一种延拓方法:以双脉冲轨道为初值,首先求解全程推进轨道,然后逐步增加推力幅值,应用直接/间接混合法依次求解所有推力幅值下的、满足包括开关函数在内的所有必要条件的转移轨道,包括连续和脉冲推力轨道。通过基于开关函数曲线变化趋势的开关序列预设方法,以及基于已有优化结果的延拓步长自适应方案,实现了延拓方法的自动运行。为实现该延拓方法,给出了适用于改进春分点根数模型的脉冲最优转移轨道主矢量必要条件,推导了无推力轨道段改进春分点根数协态变量状态转移矩阵。通过3个算例对延拓求解会遇到的不同情况进行了具体说明。延拓方法可以看作现有直接/间接混合法的进一步完善与拓展,延拓过程和结果有助于对燃耗最优轨道与系统参数之间的关联获得更为深刻的认识。     

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。     

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。     

基于月球借力的低能DRO入轨策略

在地月空间的远距离逆行轨道（DRO）部署月球轨道站可显著降低月球开发成本,并可作为未来小行星探测和载人火星任务的跳板。月球轨道站的在轨建造和货物补给任务中,提高航天器入轨质量是重要问题。从地球至DRO的转移轨道可以采用弱稳定边界（WSB）转移轨道降低入轨脉冲,但是直接抵达WSB需要较高的火箭发射脉冲。研究了基于月球借力的弱稳定边界DRO入轨策略,首先通过“近月点庞加莱图”和“v无穷匹配”获得较好的轨道初值,接着采用“多步打靶”在星历下对转移轨道进行修正,上述方法有效提高了该类型转移轨道的计算效率。对于共振比2∶1的DRO轨道,总脉冲最优解的地球发射脉冲3.127 km/s（与直接抵达WSB相比降低60～70 m/s）,飞行总时间102.88 d,DRO入轨脉冲仅需66.1 m/s。     

基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道设计

针对地月空间货运任务和环月轨道空间设施建设任务,提出一种弹道逃逸和小推力捕获相结合的新型地月轨道转移模式,并建立了一整套该类型轨道设计方法。首先,在三体模型假设下分别建立地心弹道逃逸轨道和月心小推力捕获轨道的二维极坐标动力学模型。对于弹道逃逸轨道,将地心旋转系对准角和地月转移加速速度增量作为控制变量,提出初值估计解析公式,并应用序列二次规划算法进行快速求解。对于小推力捕获轨道,以月心距为参考量设置与弹道逃逸轨道的拼接点约束,提出能量匹配方法预估飞行时间,采用最优螺旋轨道的初始伴随状态解析式预估近月点伴随变量初值。基于混合法和轨道逆推思想,采用人工免疫算法进行小推力捕获轨道求解。仿真结果表明,基于弹道逃逸和小推力捕获的地月轨道转移方式大幅降低了近月制动燃料消耗,能快速穿越地球辐射带,且飞行时间适中;同时,提出的轨道设计方法能快速搜索到基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道,验证了该方法的有效性。     

飞翼布局运输机气动设计方法研究

由于飞翼布局的运输机具有结构强度、气动效率、总体装载以及RCS隐身等方面的优良特性,它成为未来大型运输机的气动布局方案中最引人关注的一种布局形式.以0.85马赫为巡航设计点,设计了一架起飞总重在250吨左右,最大载重量在50吨,最大航程在8000公里以上的飞翼布局运输机.通过采用Euler方程数值解法进行气动特性评估,在初始设计方案的基础上进行进一步的改进设计,有效地提高了初始方案的升阻特性和力矩特性.最终设计结果表明提出的设计思路具有一定的可行性和适用性.     

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。     

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。     

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.     

毫秒脉冲等离子体激励改善飞翼的气动性能实验

在来流速度为30m/s时,进行了毫秒脉冲介质阻挡放电等离子体激励改善飞翼气动性能的风洞实验.等离子体激励器布置在飞翼前缘,峰峰值电压为9.5kV时,放电的脉冲能量在0.1mJ/cm量级.通过六分量测力天平测力研究了脉冲激励频率和占空比对升/阻力系数、升阻比和俯仰力矩系数的作用效果.结果表明:等离子体激励可以有效改善飞翼大攻角气动特性;在最佳无量纲脉冲激励频率F+≈1时,临界失速迎角由14°提高到17°,最大升力系数提高10%;占空比对流动控制效果影响较大,减小占空比可以降低能耗,实验中最佳占空比为5%;俯仰力矩系数的变化表明施加等离子体激励改善了飞翼纵向静稳定性.      

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。     

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。     

基于相对方位信息和单间距测量的多智能体编队协同控制

由多个载体组成的多智能体系统对复杂环境具有更高的适应性,能够完成传统单个载体无法完成的任务。针对多智能体编队集结与队形移动跟踪问题,提出了一种改进的多智能体编队协同控制新算法。首先,以拒止环境下跟随智能体仅能通过光学传感器测量相对方位信息为任务背景,针对"领导者——第一跟随者"结构的多智能体编队,提出了基于相对方位信息与单间距测量的控制器,使得第一跟随者智能体可以追随移动的领导者智能体,并且可以通过改变与领导者智能体的间距对编队整体队形进行缩放控制。其次,提出一种了改进的分布式控制律,使得其他跟随者智能体可以仅通过两个相对方位信息完成编队飞行。然后,根据Lyapunov第二方法,构建了系统的能量函数,验证了所提出算法的稳定性。最后,通过数值仿真实验对所提算法进行了验证。仿真结果表明,基于该控制律多智能体系统能够完成编队集结、队形缩放和编队飞行的任务。     

The Lunar Gravity Ranging System for the Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) Mission

The Lunar Gravity Ranging System (LGRS) flying on NASA’s Gravity Recovery and Interior Laboratory (GRAIL) mission measures fluctuations in the separation between the two GRAIL orbiters with sensitivity below 0.6 microns/Hz^1/2. GRAIL adapts the mission design and instrumentation from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) to a make a precise gravitational map of Earth’s Moon. Phase measurements of Ka-band carrier signals transmitted between spacecraft with line-of-sight separations between 50 km to 225 km provide the primary observable. Measurements of time offsets between the orbiters, frequency calibrations, and precise orbit determination provided by the Global Positioning System on GRACE are replaced by an S-band time-transfer cross link and Deep Space Network Doppler tracking of an X-band radioscience beacon and the spacecraft telecommunications link. Lack of an atmosphere at the Moon allows use of a single-frequency link and elimination of the accelerometer compared to the GRACE instrumentation. This paper describes the implementation, testing and performance of the instrument complement flown on the two GRAIL orbiters.     

基于速度分布的纵向碰撞危险REICH模型初步研究

随着空中交通流量的快速增长,迫切需要缩小间隔标准,提高空域容量和减少航班延误。针对纵向间隔,为计算飞机间的纵向碰撞率提供了一种新方法。首先,研究了飞机速度分布情况,建立了纵向碰撞概率模型;然后,以概率论为工具,根据纵向碰撞概率和REICH模型,建立了纵向碰撞危险模型,推导出了计算纵向碰撞率的方法;并利用概率论中的3 s法则,分析了初始距离、纵向碰撞概率、飞行时间以及飞机速度均方差等对纵向碰撞率的影响;最后,通过仿真算例和分析讨论得出130 km的纵向间隔安全可行,可为确定航路飞行过程中飞机间纵向间隔提供参考。