两种J_2摄动模型下卫星编队相对位置误差分析

为了研究一个轨道周期内卫星和卫星编队的运动规律,在J2摄动理论基础之上,采用摄动加速度分析方法,给出了J2瞬时摄动模型。以近地太阳同步轨道卫星和双星编队为例,与只考虑J2一阶长期项的平均摄动模型比较,仿真分析结果表明,对卫星而言,一个轨道周期内,卫星半长轴相对平均半长轴漂移达到18km,偏心率相对平均偏心率漂移达到10-3量级,轨道倾角相对平均轨道倾角漂移达到0.01°,即由于J2瞬时摄动的影响,卫星运动发生了摄动;对双星编队而言,一个轨道周期内,两星相对位置的径向误差达到5km,沿迹向误差达到19km,法向误差相对较小,在10-2量级上,相对距离的误差达到了19km,随着时间的推移,误差会越来越大。     

月球卫星轨道设计优化

利用带谐项J2和J3对月球卫星轨道进行了优化设计．首先分析了月球卫星轨道摄动因素对轨道的影响，其次推导了对应于J2和J3项的冻结轨道计算公式，并通过对仅包含月球引力场模型的运动微分方程，直接积分计算轨道的变化进行了验证．最后，通过合理选择初始轨道的偏心率e0和近月点幅角ω0，对月球卫星极轨道进行了优化设计，给出了设计公式并进行了仿真．结果表明，这种优化设计方法是很有效的．     

受摄三体问题研究

圆型限制性三体问题模型忽略了摄动因素的影响,在很多情况下不能足够准确地描述三体系统的动力学性质。本文研究了考虑摄动影响的三体问题的动力学性质及其轨道设计。首先分析了运行在平动点附近的卫星所受的主要摄动因素;然后从系统在惯性坐标系中的动力学方程出发,推导了会合坐标系中考虑偏心率、第四体引力以及太阳光压摄动影响的一般动力学方程;最后使用两层微分修正方法将圆型限制性三体问题模型下设计的轨道转换到受摄三体问题模型下。     

基于θ-D方法的在轨操作相对姿轨耦合控制

针对诸如模块更换、燃料加注等在轨操作任务中的相对动力学与控制问题,建立了描述航天器间近距离相对运动的轨道姿态耦合动力学模型,结合轨道摄动和姿态干扰力矩分析了耦合项对模型的影响。考虑到基于状态相关系数形式模型的非线性和时变性,采用θ-D次优控制算法设计了相对姿轨耦合控制器。以在轨加注任务最终逼近段为背景,针对目标航天器失控旋转的情况进行了数值仿真,仿真结果表明了θ-D控制算法能够实现对相对轨道和姿态的同步控制,简化对控制器的求解并具有较高的控制精度。     

严格回归轨道的管道导航方法研究

分析了作为参考轨道的严格回归轨道与卫星在轨运行状态的相对运动关系,提出近地遥感卫星的管道导航方法。由于参考轨道的设计只考虑高精度的地球非球形摄动,与在轨卫星的动力学环境存在差别,这导致两者之间存在切航向漂移。基于高精度的轨道动力学模型和位置确定方法,设计了卫星与参考轨道采样点的沿航向对齐算法,从而获取了卫星相对参考轨道采样点的相位时间偏差和卫星在参考轨道编队坐标系切航向平面内的相对运动轨迹,进而引入椭圆的“最小二乘适配法”获取相对运动轨迹的特征量。所研究的管道导航方法可应用于基于GNSS测量数据的卫星自主轨迹保持。     

基于T-H方程的多脉冲最优交会方法

针对椭圆参考轨道交会问题,采用T-H方程描述相对运动,提出了一种时间固定燃料最省的多脉冲最优交会方法,优化参数为交会脉冲及其施加时刻.当考虑到J2摄动或航天器初始相对距离较大时,用T-H方程进行状态预测其线性化误差一般不容忽略,而若用轨道积分预测则耗时较多,进而导致优化时间过长.针对此问题,提出一种采用前一优化脉冲节点的状态导出的轨道根数预测当前节点状态的预测方法.该方法简单实用,有效地加快了优化收敛速度.最后基于多脉冲优化解进行了数值轨道积分以验证交会精度.仿真结果表明,即使加上J2摄动,在初始相对距离为1 000 km时,该方法的终端位置精度仍能达到75 m.     

非合作目标追踪与相对状态保持控制技术研究

基于考虑J2摄动影响的改进Hill方程数学描述,将最优机动问题转化为标准线性规划问题,为在轨服务系统对非合作目标的接近过程进行路径规划,针对卫星跟踪以及悬停的特殊相对运动状态设计控制方法,实现近距离相对轨道的精确控制.最后通过数学仿真验证方案的正确性和有效性.     

DRO计算及其在地月系中的摄动力研究

针对远距逆行轨道（DRO）的航天工程应用问题，研究了DRO的计算方法以及轨道特性，分析了DRO在实际力环境中的主要摄动因素，为DRO的精确建模和标称轨道设计奠定一定的理论基础。首先，利用仿真算例验证流函数法在计算DRO周期轨道族中的有效性。然后，利用该方法，通过改变雅可比常数，延拓计算DRO周期轨道族，获得不同共振比的DRO，仿真结果表明整数共振比的DRO在地月惯性坐标系中的轨迹是封闭的曲线，而共振比非整数的DRO则不封闭。最后，通过轨道外推分析影响DRO稳定性的主要摄动因素，仿真结果表明太阳引力和月球轨道偏心率是影响DRO稳定性的主要摄动因素。在动力学模型中，使用标准星历表示行星的运动状态，当积分时间多于10天时模型误差为km量级，因此在地月系这样大尺度的空间范围内，可以使用星历模型近似的分析DRO在真实力环境中的运动状态，为任务轨道设计提供依据。      

基于视线测量的卫星编队机动控制方法

采用视线测量的方法,建立一种编队卫星队形保持与机动的协同控制策略。编队中每一个卫星跟踪自己轨道前方邻近卫星,产生一个视线测量矢量,编队的第一个卫星根据高级控制层指令追踪期望轨道,产生链式编队,将编队卫星之间的视线距离作为反馈控制量来实现队形控制。通过推导J2相对摄动力的表达式,控制模型考虑了模型不确定性和摄动影响,采用滑模控制器,实现了基于视线测量的编队卫星链式跟踪协同控制。仿真算例结果表明,该方法在实现编队卫星队形保持与整体机动控制上具有可行性。     

行星三体引力摄动对卫星探测器大气制动的影响

考虑行星引力在其卫星探测器大气制动过程中的显著摄动,建立了基于Milankovitch参数的平均轨道动力学模型并对土卫六探测器进行仿真。首先,将轨道参数转换为无奇异的Milankovitch参数,考虑探测卫星的大气阻力、扁率摄动以及行星引力摄动,建立了半解析轨道方程。其次,以土卫六探测器为对象,选择不同的土星初始方位角进行有大气和无大气情况下的数值仿真,并进行比较分析。结果表明,土星初始方位角的选择会引起土卫六大气制动轨道偏心率和近拱点高度在不同范围内震荡,极大地影响大气制动效果。      

近圆参考轨道卫星编队的安全性

针对近圆参考轨道卫星,利用相对轨道要素对编队构形进行了统一描述,提出了编队卫星在垂直于轨道平面方向相对运动最小距离的计算公式,分析了J2摄动对卫星编队安全性的影响。仿真结果表明环绕星在轨道平面内和垂直于轨道平面内的相位差对编队安全性的影响较大,给出的提高编队卫星安全性的措施可为卫星编队的实际工程应用提供参考。     

“嫦娥4号”中继星任务轨道确定问题初探

"嫦娥4号"任务将采用着陆器、巡视器和绕飞地月拉格朗日L2点中继星进行月球背面的探测,中继星已先期发射,进入环绕地月L2点的晕(Halo)轨道。在中继星使命轨道动力学模型的基础上,通过相关仿真工作,开展了中继星在Halo轨道上的摄动源量级及影响定轨预报的主要因素分析,结果表明:太阳光压摄动是其主要影响因素。为降低其相关影响,提高定轨精度,在太阳光压球模型的基础上,结合中继星在轨运行特点及其星体结构特点,提出了一种求解光压等效面积的方法。经仿真分析,使用修正后的太阳光压球模型进行定轨求解,速度精度可提升约一个量级。     

近圆低轨卫星星座相位保持方法

主要研究无轨道高度保持要求的近圆低轨卫星星座相位保持方法.首先根据轨道摄动理论，推导了考虑J2摄动和大气阻尼摄动的卫星相位漂移模型，分别给出基于固定基准星和基于虚拟基准星的相位偏差两种表达方法.在此基础上，按照星座各星轨道衰减一致和不一致两种情况，分别提出两种表示方法理论的和考虑实际控制误差的相位保持策略.通过一个walker星座仿真算例验证了两种方法的有效性.仿真结果显示，两种方法在各星轨道衰减一致和不一致两种情况均可有效完成相位维持任务，当各星轨道衰减一致时两种方法在控制次数和控制总量上无明显差异；在各星轨道衰减不一致情况下，基于固定基准星的相位保持策略更优.     

Optimal H∞ robust output feedback control for satellite formation in arbitrary elliptical reference orbits

A two degree-of-freedom signal-based optimal H_∞ robust output feedback controller is designed for satellite formation in an arbitrary elliptical reference orbit. Based on high-fidelity linearized dynamics of relative motion, uncertainties introduced by non-zero eccentricity and gravitational J2 perturbation are separated to construct a robust control model. Furthermore, a distributed robust control model is derived by modifying the perturbed robust control model of each satellite with the eigenvalues of the Laplacian matrix of the communication graph, which represent uncertainty in the communication topology. A signal-based optimal H_∞ robust controller is then designed primarily. Considering that the uncertainties involved in the distributed robust control model have a completely diagonal structure, the corresponding analyses are made through structured singular value theory to reduce the conservativeness. Based on simulation results, further designs including increasing the degrees of freedom of the controller, modifying the performance and control weighted functions, adding a post high-pass filter according to the dynamic characteristics, and reducing the control model are made to improve the control performance. Nonlinear simulations demonstrate that the resultant optimal H_∞ robust output feedback controller satisfies the robust performance requirements under uncertainties caused by non-zero eccentricity, J2 perturbation, and varying communication topology, and that 5 m accuracy in terms of stable desired formation configuration can be achieved by the presented optimal H_∞ robust controller. In addition to considering the widely discussed uncertainties caused by the orbit of each satellite in a formation, the optimal H_∞ robust output feedback control model presented in the current work considers the uncertainties caused by varying communication topology in the satellite formation that works in a cooperative way. Other new improvements include adopting a new method to more accurately describe and analyze the effects of the higher-order J2 perturbation, combining all the uncertainties into a diagonal structure, and utilizing a structured singular value to synthesize and analyze the controller.     

近地轨道集群航天器电磁编队飞行非线性反馈控制方法

针对近地轨道集群航天器电磁编队飞行的动力学和控制问题, 提出了一种非线性反馈控制方法. 基于电磁力模型和地磁场模型, 分析了地磁场对近地轨道电磁编队的影响; 建立了集群航天器电磁编队高精度相对轨道动力学模型; 基于Lyapunov稳定性理论设计了一种非线性反馈控制律, 利用该方法对两星电磁编队维持控制进行了仿真验证. 仿真结果表明, 地磁场引起的电磁干扰力可以忽略, 但是电磁干扰力矩的影响必须考虑; 近地轨道集群航天器电磁编队是可控的, 所设计的控制方法是可行的.      

High precision dynamic model and control considering J2 perturbation for spacecraft hovering in low orbit

For spacecraft hovering in low orbit, a high precision spacecraft relative dynamics model without any simplification and considering J₂ perturbation is established in this paper. Using the derived model, open-loop control and closed-loop control are proposed respectively. Gauss's variation equations and the coordinate transformation method are combined to deal with the relative J₂ perturbation between the two spacecraft. The sliding mode controller is adopted as the closed-loop controller for spacecraft hovering. To improve the control accuracy, the relative J₂ perturbation is regarded as a known parameter term in the closed-loop controller. The external uncertainty perturbations except J₂ perturbation are estimated by numerical difference method, and the boundary layer method is used to weaken the impact of chattering on the sliding mode controller. The open-loop control of spacecraft hovering with the relative J₂ perturbation and without the relative J₂ perturbation are simulated and compared, and the results prove that the accuracy of open-loop control with relative J₂ perturbation has been significantly improved. Similarly, the simulation of the closed-loop control are presented to validate the effectiveness of the designed sliding mode controller, and the results demonstrate that the designed sliding mode controller including the derived relative J₂ perturbation can guarantee the high accuracy and robustness of spacecraft hovering in long-term mission.     

平均相对运动方程及其在卫星编队构型维持中的应用

针对近地轨道卫星相对运动过程中的周期变化特性,利用轨道周期平均方法给出了平均相对运动方程,并在此基础上设计了两种编队构型维持策略.首先,推导出以轨道根数差分表示的平均相对运动方程,该方程能有效消除相对运动的周期性变化.其次,针对大气阻力摄动和J2项摄动,利用轨道平均根数的线性化递推公式,给出了平均相对运动轨迹的预报方程,通过事先预报编队飞行的平均轨迹,为编队构型设计和保持控制提供参考依据.最后通过数学仿真对两种编队构型维持策略进行了验证.