卫星编队飞行动力学仿真及其应用

由若干颗小卫星编队飞行组成一个虚拟卫星,其功能相当或超过一颗大卫星,这将开拓小卫星一个完全崭新的应用领域。文章首先研究轨道动力学,系统地研究编队飞行三种动力学模型,其次进行定位卫星和区域导航系统两个实例数学仿真,分析研究各种数学模型的精度和它们的应用场合。     

椭圆轨迹编队飞行轨道分析

国际航天界在探讨小卫星的应用过程中产生了8虚拟卫星9的新概念2这种虚拟卫星是由若干颗按一定的队形飞行的小卫星构成:这种编队飞行的卫星星群的轨道设计;轨道演变及控制是一个重要的研究课题:文章针对椭圆轨迹的编队飞行2直接利用轨道的分析理论研究了轨道的特征;轨道摄动的影响以及轨道控制方法和所需的速度增量:     

应用虚拟结构的卫星编队飞行自适应协同控制

针对卫星编队飞行协同控制存在质量、转动惯量不确定性及外部扰动的问题,提出了一种应用虚拟结构的卫星编队飞行自适应协同控制方法。首先,通过对虚拟结构模型的描述,建立了虚拟结构状态变量与编队卫星期望状态之间的表达式;其次,设计了编队卫星和虚拟结构的位置、姿态自适应协同控制器,通过在虚拟结构控制器中引入编队卫星的状态误差,实现了编队信息至虚拟结构的反馈,并采用Barbalat引理证明了闭环系统的稳定性和对有界扰动的抑制:最后,以三星编队协同轨道机动和空间指向性偏转为例对所设计的控制器进行了仿真验证。仿真结果表明:设计的控制器能够实现对编队卫星质量和转动惯量的自适应估计,使得编队卫星位置和姿态控制误差最终趋近于零,验证了所提方法的有效性。     

卫星编队飞行技术的进展及建议

20世纪90年代,基于卫星技术的编队飞行(也称编队飞行卫星群、伴随卫星群和虚拟卫星等)概念受到重视。美国航宇局(NASA)把编队飞行及其相关技术视为下一代可用的关键技术,相继开展了地球观测-1(Earth Observing-1,已于2000年11月21日成功发射,     

基于蝙蝠飞行的仿生智能卫星编队管理策略

摘要： 卫星编队构型的保持对编队任务实施至关重要，针对高精度卫星编队控制策略复杂不易于实现的问题，提出了一种基于蝙蝠飞行的仿生智能编队管理策略.首先分析了编队动力学和图论理论，总结自然界中蝙蝠群体的行为规律，给出了蝙蝠飞行数学模型，以此设计了编队虚拟中心用于衡量卫星编队整体效益和局部效益，进而给出了仿生编队管理策略，算法清晰实用.最后，应用卫星编队算法对对卫星编队构型进行控制仿真验证，实现了高精度、低能耗的稳定控制.     

未来“拼”星去太空

小卫星在各领域得到广泛应用,从单颗小卫星,到小卫星星座和分布式小卫星系统编队飞行,从小卫星采用全新的推进剂等先进的技术,到采取创新的设计思想,未来小卫星将有优于大卫星的功能和成本效益,其发展前景将无法估量。未来小卫星技术发展原则科学家预测,小卫星的未来发展将有十大原则:一、更换小卫星信息结构,时刻保持和快速发展的信息与计算机技术同     

编队飞行的小卫星精确定轨方法的研究

针对编队小卫星间的相对飞行特点，在Hill方程描述编队飞行小卫星间相对运动的基础上，提出利用星间无线电测距的相对自主定轨，来获得环绕小卫星精确轨道的卫星定轨方法。通过具体仿真计算，并与小卫星GPS自主定轨方法相比较。仿真结果表明，此方法确实有效。     

编队飞行卫星群相对轨道摄动运动分析

编队飞行卫星群在运行过程中将受到各种摄动因素的影响,相对运动队形可能受到破坏而影响飞行任务的完成。针对中、低轨道编队飞行任务,分析了各种摄动因素对编队卫星相对队形的影响;导出了编队飞行卫星群相对队形的稳定条件;最后,结合稳定条件对典型编队队形进行了分析。     

现代小卫星最突出的成就

传统小卫星经历将近20多年历史,技术水平不断提高,应用向全方位扩展。分布式系统是小卫星应用最大的特点,特别是小卫星编队飞行更是空间技术在应用领域一个创举,也是空间技术今后一个重要发展方向。高分辨率对地遥感小卫星在空间遥感方面的应用主要是通过小卫星获得地球环境有关信息。表示这些信息技术水平有几个指标,分别是空     

基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述

为统一描述编队飞行卫星中主从星的相对位置和姿态参数,利用对偶四元数,建立编队飞行卫星运动学模型,分析其物理意义,提出了基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述的划船算法,并利用这一算法解算出相对位置和姿态参数,突破了传统方法中将卫星轨道和姿态分而治之的方式。仿真结果表明该算法科学合理,能够有效描述编队飞行卫星间的相对位置和姿态。     

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。     

卫星编队飞行的相对轨道自主确定研究

为了研究卫星编队飞行相对轨道的自主确定,基于相对轨道根数建立编队卫星间的相对运动方程,利用测量所得到的星间距离和方位信息作为观测量。不同于目前广泛采用的扩展卡尔曼滤波算法,设计Unscented Kalman Filter(UKF)算法实现卫星编队飞行的相对轨道自主确定。仿真结果表明这种相对轨道自主确定方案能获得较高的定轨精度。     

绳系微小卫星的旋转编队飞行

针对三星编队飞行问题,提出一种绳系控制方法,在自旋刚体卫星的平衡分析的基础上,建立了Thomson和Likins Pringle平衡构形的绳系三星编队模型,通过对编队系统的稳定性分析得到了两种构形下的稳定条件,并给出了三种控制策略用以解决Likins-Pringle构形不能满足平衡条件的问题。最后经过仿真验证了理论分析的正确性,并对三种控制策略进行了检验,结果表明Thomson构形无须辅助手段,在满足特定条件下可以稳定运行,Likins-Pringle构形采用弹簧系统和喷气辅助绳系控制时满足特定条件也可以稳定运行。     

近圆轨道卫星编队捕获技术研究

基于近圆参考轨道的假设,研究处于同一入轨点多颗卫星的编队捕获方法.首先由高斯型拉格朗日轨道摄动运动方程得到轨道坐标系中控制冲量与轨道根数偏差的关系,基于近圆轨道的条件简化并带入相对运动方程,得到控制冲量与相对运动的关系表达式;通过深入分析各个方向(径向、沿迹向与轨道面法向)的控制冲量对相对运动的影响,给出了分别用径向与轨道面法向控制冲量组合和沿迹向与轨道面法向控制冲量组合实现编队捕获的两种控制策略;最后给出了一个空间圆编队捕获实例,并从燃料消耗、施加冲量次数及捕获时间等角度对比研究了两种控制策略的特点.仿真结果表明,这两种控制策略简单、实用,能够较好地解决近圆轨道卫星编队的捕获问题.      

卫星群反作用飞轮的故障诊断方法研究

卫星群飞行技术是航天领域的新兴技术,多个低成本小卫星可以完成较为艰巨的太空任务,但与此同时也会带来更多的故障问题。面对复杂的空间环境,针对卫星群可能发生的故障问题,提出了一种分布式卫星群系统故障诊断方案,通过基于Elman神经网络的故障诊断方法完成对卫星群姿态控制系统的故障诊断。试验结果表明,该方案能够快速检测出卫星群中反作用飞轮发生的故障,并且让邻近卫星通过神经网络也能检测到该故障的发生,表现出很好的准确性和实时性,在实际应用中有效可行。     

基于终端滑模的卫星编队飞行有限时间控制

针对考虑参考星机动的编队飞行相对位置控制问题,给出了一种基于终端滑模的有限时间控制方法. 基于编队卫星相对运动动力学模型,设计了有限时间终端滑模控制器,同时证明了该控制器作用下系统状态误差可在有限时间内收敛. 以编队构型重构和考虑参考星机动时的构型保持控制为例,利用本文控制方法进行了仿真分析. 仿真结果表明,基于终端滑模的有限时间控制方法相比于传统的线性滑模控制方法,在保证编队飞行控制高精度的同时,有效提升了误差的收敛速度,验证了该方法的有效性和优越性.      

基于InSAR任务性能要求的编队轨道构型设计

为使卫星在飞过特定经纬度地面上空时对应特定的空间基线形式,系统的其他参数常受制于诸多限制,只有编队构型可以进行更为自由的设计。以双星编队为例,研究了基于轨道摄动理论的编队飞行模型;分析了编队飞行InSAR卫星的轨道设计约束条件与设计目标;提出了四种轨道构型方案并对其测高性能进行比较;并分析了地球扁率摄动因素对编队构型及InSAR测高性能的影响。     

Propulsionless planar phasing of multiple satellites using deep reinforcement learning

This work creates a framework for solving highly non-linear satellite formation control problems by using model-free policy optimisation deep reinforcement learning (DRL) methods. This work considers, believed to be for the first time, DRL methods, such as advantage actor-critic method (A2C) and proximal policy optimisation (PPO), to solve the example satellite formation problem of propellantless planar phasing of multiple satellites. Three degree-of-freedom simulations, including a novel surrogate propagation model, are used to train the deep reinforcement learning agents. During training, the agents actuated their motion through cross-sectional area changes which altered the environmental accelerations acting on them. The DRL framework designed in this work successfully coordinated three spacecraft to achieve a propellantless planar phasing manoeuvre. This work has created a DRL framework that can be used to solve complex satellite formation flying problems, such as planar phasing of multiple satellites and in doing so provides key insights into achieving optimal and robust formation control using reinforcement learning.     

微小卫星编队飞行解析构型维持控制方法

编队构型维持是卫星编队飞行的基础.J2摄动和大气阻力是影响近地轨道卫星编队构型的主要摄动力,通常导致星间相对速度的长期变化,从而造成编队构型发生漂移.本文针对近地轨道卫星编队飞行,基于平均化的思想,采用平均相对速度表示编队构型漂移率,推导了平均相对速度与脉冲速度增量之间的解析表达式.通过引入平均相对加速度,将摄动力下的相对运动等效为匀变速直线运动.将其与单边极限环控制方法结合,提出一种基于星间测距信息的解析构型维持控制策略.仿真结果表明,该解析算法简单有效,易于工程实现,尤其适合微小卫星的星间自主控制.