无轨道动力学模型的增强型GPS实时星间相对定位方法

虽然基于卫星轨道动力学模型的增强型GPS实时星间相对定位可获得厘米级精度,但通常在一般条件下难以获取高精度轨道动力学模型.本文提出了一种无轨道动力学模型条件下的高精度实时相对定位方法,即利用GPS三差观测方程获得状态矢量的时间转移矩阵,采用自适应UKF(Unsented Kalman Filter,无迹卡尔曼滤波器)实时估计星间相对位置.仿真结果表明,相比传统的序贯点估计方法分米级的相对定位精度,新方法在星间距离小于5 km时,其相对定位精度可达厘米量级.     

航天器交会远程快速自主制导方法

针对近地近圆轨道航天器交会任务,设计了基于经典轨道要素的远程快速自主制导算法.对于任意初始纬度幅角偏差的远程导引,通过建立纬度幅角偏差与半长轴偏差的关系,将远程导引段分为初始轨道飞行、调相轨道飞行和调整轨道飞行3个阶段.初始轨道飞行进行轨道共面修正和调相机动;在调相轨道飞行期间,进行自然调相以及调相轨道到调整轨道的机动;调整轨道飞行阶段进行追踪航天器的远地点高度和近地点高度的修正,以及再次共面修正.所有变轨机动都以制导脉冲的形式给出,并都在轨道特殊点执行.精确轨道仿真验证了远程快速自主接近制导算法的可行性.     

基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨

提出基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨算法,利用2005-12-09—10两颗GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星的GPS（Global Positioning System）实测数据进行实时相对定轨试验计算,采用JPL（Jet Propulsion Laboratory）轨道对试验结果外部检核,结果表明:①自适应滤波相对定轨通过自适应因子,可以较好地平衡编队卫星的观测信息和相对动力学信息,其相对定轨结果精度优于Kalman滤波相对定轨结果;②自适应滤波相对定轨结果随着星间基线缩短而精度提高;③两颗GRACE卫星采用单频伪距和广播星历进行自适应滤波相对定轨,可以得到精度优于6cm的星间基线。     

提高卫星自主导航精度的滤波算法和仿真

如何实时准确地对系统误差进行估计和校准提高基于“地-日-月”测量的卫星自主导航精度的一个重要途径。针对这一问题,将系统误差作为新增的状态向量,设计了轨道参数状态与系统误差状态解耦估计的两步滤波算法,该算法在估计轨道参数的同时校准系统误差,数学仿真结果表明,采用文章所提出的滤波算法可以将自主导航的位置精度从10km(3σ)量级提高到300m(3σ)左右。     

脉冲星非实时平差的火星探测自主导航模型

针对基于X射线脉冲星观测的火星探测器自主导航,研究了几种不同的实时自适应方法,包括:扩展卡尔曼滤波(EKF),自适应扩展卡尔曼滤波(AEKF)和鲁棒自适应扩展滤波(RAEKF)。首先根据脉冲星导航原理,模拟了观测值:脉冲到达时刻;接着,分别利用扩展卡尔曼滤波,自适应扩展卡尔曼滤波和鲁棒自适应扩展滤波方法估算出探测器的位置和速度;最后,上述几种滤波轨道与STK模拟的标称轨道较差,然后比较它们的滤波精度发现:AEKF和RAEKF的精度相对较高,AEKF的三个轴向滤波位置精度达到:X轴优于100m、Y和Z轴优于30m,优于VLBI技术的km量级,和Doppler技术的精度相当。     

导航卫星的地面站定轨算法

导航星座轨道的长期保持是星座导航系统运营管理的重要组成部分,而现有的导航卫星地面定轨算法又存在精度不高或计算量大不适合工程应用的问题。为此,研究了单向、被动测量模式的导航卫星地面定轨算法。基于单向伪距观测,将导航卫星钟差参数作为状态量,推导了滤波算法的状态方程、测量方程,并最终建立了滤波器模型。以不同轨道面的4颗GPS导航卫星为例进行了2天的仿真试验,考虑卫星的可见性仿真中加入了测量中断,并设计在测量恢复后重启滤波算法。仿真结果表明,4颗卫星的轨道位置估计精度可以达到米级,钟差随机偏差的估计精度可以达到纳秒级,并且在滤波中断后重启滤波器,仍然可以达到此估计精度,表明此定轨算法具有收敛性和稳定性。     

多冲量近圆轨道交会的部分变量瞄准法

交会对接是空间站任务中一项非常重要的技术。基于C—W方程,推导了用直角坐标和轨道根数描述的远程导引段多冲量变轨段策略的方程,同时给出了求解方程组的迭代算法。随着冲量的施加,剩下的变轨量不足以瞄准交会时刻目标的全部状态时,给出了瞄准部分变量的方法。通过算例验证发现,存在定轨误差的情况下,部分变量瞄准法能精确地瞄准任务所关心的变量。     

航天器空间交会过程综合变轨策略研究

文章研究了空间交会远程导引阶段综合变轨问题的变轨策略方法和实用理论模型。文章首先简要描述了综合变轨的技术条件和策略方法 ;然后重点建立了多脉冲综合变轨的轨道动力学模型 ,并给出了数值求解方法 ;最后用自行开发的仿真程序进行了远程导引多脉冲综合变轨的算例仿真。仿真结果表明 ,该模型和算法具有工程实用性     

月球探测器垂直软着陆4D轨道全局优化

提出一种包含动态规划法与共轭梯度法的组合优化算法,求解月球探测器垂直软着陆问题. 其以动态规划法中求得的次优控制变量作为共轭梯度法的初始控制变量,求得更为精确的最优控制变量和最优轨道. 月球垂直软着陆的轨道可以分为两段,即制动段与着陆段. 以燃料消耗量最小为性能指标,采用该组合优化算法分别对两段轨道进行了4D全局优化. 数值仿真结果表明,该组合算法优化精度较高,收敛速度快,稳定性好,可用于机载计算机实时生成垂直软着陆4D轨道,同时还可推广到其他终端时间自由型两点边值问题.      

月球轨道交会对接航天器相对状态误差分析

为分析同波束干涉测量这一高精度相对测角技术对月球交会对接两个航天器的相对位置、速度(状态)影响,文章根据协方差分析理论及各测量量的模型,推导测量量关于相对状态量的信息矩阵,建立了相对状态误差协方差模型;结合月球轨道交会对接仿真轨道,开展测量误差对两个航天器的相对状态误差影响协方差分析。结果表明,在当前测量误差条件下,相对位置、速度误差分别达到米级和厘米每秒级。在分析相对状态误差影响因子的基础上,重点对同波束干涉测量差分相时延整周模糊误差及时延率误差对相对状态影响进行了分析,结果表明整周模糊度误差对相对位置误差影响显著,时延率误差对相对速度误差影响显著。     

天舟二号货运飞船全相位自主快速交会对接技术和在轨验证

介绍天舟二号货运飞船全相位自主快速交会对接技术和在轨飞行结果.介绍21世纪以来交会对接发展的两个趋势：自主和快速；给出天舟二号货运飞船全相位自主快速交会对接方案，以及主要技术特点；给出天舟二号货运飞船5~8 h飞控实施方案和推迟一天发射的飞控实施方案，以及在轨执行效果.天舟二号货运飞船入轨自主快速交会对接是世界上首次进行的全自主快速交会对接任务，为我国空间站工程后续任务奠定了坚实的技术基础.     

基于螺旋伴飞式航天器交会控制技术

首次提出以螺旋伴飞式实现航天器交会的思路.在两航天器符合绕飞条件的前提下,从相对运动的Hill方程出发,首先推导出实现螺旋伴飞式交会的相对位置反馈控制律,这种相对位置反馈控制表明,航天器在交会过程中可以在只有相对位置测量条件下进行工作,因而具有一定的工程指导意义;进而,对螺旋伴飞式交会控制律的特点进行了分析,同时给出了稳定性分析与能量估算,分析表明这种交会控制技术,其控制具有较好的稳定性,且消耗能量较小;最后,通过一个空间圆绕飞轨道的伴星回收实例,给出了控制加速度的特性图和螺线回收轨迹图.仿真结果证明,伴星螺线回收轨道是可行的,并且具有优良的特性.      

基于线性协方差方法的交会对接误差分析

将线性协方差分析方法和蒙特卡罗仿真相结合,按交会任务和飞行特征把交会过程分为变轨飞行、自由飞行和中途速度修正三种特征段,研究了状态误差的传播规律和交会过程中各种误差对交会对接精度的影响。在变轨飞行段,分析了追踪航天器的姿态误差、控制系统性能状态估计误差,以及目标航天器轨道摄动对状态误差传播的影响。在自由飞行段,分析了追踪航天器估计状态误差的先验值和测轨误差对状态误差传播的影响。在中途速度修正段,分析了追踪航天器姿态误差和控制系统性能误差对状态误差传播的影响。仿真结果表明,误差分析方法设计合理,可以指导交会对接的轨道设计工作,能对已经设计好的交会策略进行误差分析和设计验证。     

航天器交会飞行设计方法研究

针对半自主飞行追踪星,阐述航天器交会总体设计方法。根据对接点的地理位置范围、共面轨道倾角以及目标星轨道周期与追踪星入轨点地理位置,确定交会飞行时间和两星初始相位差范围。考虑最小轨道机动动力要求与飞行轨迹安全性等因素,并兼顾地面测控条件,设计追踪星远程导引段与相对导航段的轨道机动与飞行轨迹,特别是选择与比较不同的初始轨道、调相轨道与漂移轨道以及保持点停泊时间与最终逼近段飞行时间等交会飞行要素,调整飞行时间、相位差与对接点位置,确定最佳交会飞行方案,完成空间交会任务。     

Optimal guidance and collision avoidance for docking with the rotating target spacecraft

The guidance and control strategy for spacecraft rendezvous and docking are of vital importance, especially for a chaser spacecraft docking with a rotating target spacecraft. Approach guidance for docking maneuver in planar is studied in this paper. Approach maneuver includes two processes: optimal energy approach and the following flying-around approach. Flying-around approach method is presented to maintain a fixed relative distance and attitude for chaser spacecraft docking with target spacecraft. Due to the disadvantage of energy consumption and initial velocity condition, optimal energy guidance is presented and can be used for providing an initial state of flying-around approach process. The analytical expression of optimal energy guidance is obtained based on the Pontryagin minimum principle which can be used in real time. A couple of solar panels on the target spacecraft are considered as obstacles during proximity maneuvers, so secure docking region is discussed. A two-phase optimal guidance method is adopted for collision avoidance with solar panels. Simulation demonstrates that the closed-loop optimal energy guidance satisfies the ending docking constraints, avoids collision with time-varying rotating target, and provides the initial velocity conditions of flying-around approach maneuver. Flying-around approach maneuver can maintain fixed relative position and attitude for docking.     

天宫一号目标飞行器GNC分系统容错策略设计

天宫一号目标飞行器是中国研制的新一代专门用于交会对接的大型载人航天器.为保证其长期在轨安全可靠运行,顺利完成与载人飞船的交会对接任务,以及单体飞行和组合体飞行期间的姿态和轨道控制任务,要求GNC分系统设计充分的容错策略.对GNC分系统软硬件平台进行介绍,对敏感器、执行机构以及控制器的软硬件容错策略进行详述.该策略在实际应用中得到验证,结果表明设计合理,可以有效提高GNC分系统的系统性能和可靠性.     

空间交会对接中Hill方程的计算误差特性研究

比较详细地分析了航天器在空间所受的各种摄动力,建立了航天器空间轨道的精确计算模型,进而建立了空间交会接中两航天器相对运动的精确计算模型,并以此作为精度基准,对Ｈｉｌｌ方程的计算结果进行了误差分析。     

伴飞航天器轨道修正点状态的最小二乘估计

研究了近圆轨道航天器长期伴随飞行在轨道修正时刻相对状态的最小二乘估计方法。针对长期伴飞航天器在固定时刻进行轨道修正的特点,提出采用最小二乘估计方法对轨道修正时刻的相对位置状态进行估计,并基于模型误差特点提出对该算法进行改进的加权最小二乘估计算法。算法具有计算相对简单、算法灵活等特点。仿真结果表明,对于固定时刻的状态估计,这种加权最小二乘估计算法和扩展卡尔曼滤波算法的效果相当,能够满足在轨长期伴随飞行在轨道修正时刻的相对状态估计精度要求。     

空间非合作目标的相对导航粒子滤波算法

针对激光交会雷达作为在空间交会对接过程中的相对导航敏感器,研究了未来特殊背景下,非合作目标航天器对雷达信号发射干扰的情况下的相对导航滤波算法.针对高维模型计算量大的特点对传统粒子滤波算法进行了改进,并与扩展卡尔曼滤波器进行了仿真比较,仿真结果表明改进后的粒子滤波器的滤波效果远远优于扩展卡尔曼滤波器,且计算量优于传统粒子滤波.