航天器相对运动与Hill解的适用性分析

研究了空间飞行器编队中最具基础性的问题之一 ,即相对运动的解析表达及 Hill方程的适用条件。通过建立相对运动的通解公式 ,针对不同性质的初值深入地分析了其相对运动轨迹的本质特征 ,并给出了 Hill方程的适用条件。此外 ,文中还给出了一个新的编队设计简化公式     

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.     

异构多星编队的脉冲构型保持控制方法

近地轨道的双星编队通常设计具有自稳定性的编队构型参数初值，通过保持编队构型参数形成长期稳定的相对周期运动。针对编队中卫星数量增多产生的相对运动耦合问题，提出了基于Hill坐标和三角函数公式的多星相对运动分析方法。基于SAR载荷测量基线定义，结合多星编队构型参数的相对运动特性，提出了编队构型参数的设计方法，能够实现多星编队的最大有效基线组合。通过分析J2项摄动和大气阻力摄动的长期影响，研究了异构多星编队的相对运动衍化规律，提出了主从形式的脉冲偏置控制，能够有效保持针对异构多星编队设计的编队构型。通过面质比异构的四星编队控制仿真，验证了脉冲偏置控制形式下异构多星编队构型保持控制方法的有效性。     

航天器稀疏编队飞行的概念及其设计方法

提出了航天器稀疏编队飞行的概念及其设计方法，阐明了它与通常的紧密编队飞行的区别及其在应用上的前景。采用了一个比Hill解更为广泛的新公式来设计稀疏编队，并列举了若干稀疏编队的阵形。当各航天器距离很近时，该公式自然退化为与Hill解相同的形式。通过与Hill解的设计相比较，表明了新公式用于稀疏编队设计的优越性。     

基于迹向控制量的编队星群相位控制

为了得到控制量与控制时机对相位改变的直观公式,基于Hill方程以及迹向控制的约束条件,定性分析共面绕飞编队中控制量、控制时机与编队卫星相位之间的关系,分析结果表明:当需要改变的相位角小于90°时,可实现最省燃料的控制;当需要改变的相位角大于90°时,可进行趋于最小控制量的控制;当在相对运动椭圆上下点实施控制时,相位无变化.     

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。     

编队飞行队形设计一般化方法

首先 ,在合理的假设条件下 ,基于运动学关系推导了环绕卫星相对参考卫星的相对运动方程 ;然后 ,给出了编队飞行队形设计一般化方法的具体计算公式 ,利用此方法 ,能在参考轨道为圆或椭圆轨道的情况下 ,直接求出编队中所有卫星的轨道参数 ;最后 ,给出了两个编队队形设计的算例     

一种小卫星绕飞编队的运动学设计新方法研究

在用运动学方法进行小卫星绕飞编队的相对运动分析和轨道设计时，一般假设环绕卫星和参考卫星的升交点赤经差、轨道倾角差和纬度幅角差均为小量，从而对相对运动方程进行近似和简化．但是当参考卫星的轨道倾角等于零或较小时，环绕卫星和参考卫星的升交点赤经差和纬度幅角差并不是小量，此时由于假设条件不成立而无法得到合理的轨道设计结果．针对这种情况，本文提出了一种小卫星绕飞编队的运动学设计新方法．首先对零轨道倾角卫星编队的卫星相对运动方程进行近似简化，得到了以轨道根数差为参数的相对运动方程和卫星编队设计方法，然后通过转移矩阵变换来进行任意轨道倾角的卫星绕飞编队设计，最后通过实例验证了方法的正确性．     

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.      

电磁航天器编队位置跟踪自适应协同控制

通过引入一致性理论针对电磁航天器编队相对位置协同控制问题设计了自适应协同控制器。分析了电磁航天器编队的基本原理,建立了电磁航天器编队相对运动精确的非线性动力学方程。基于电磁力远场计算模型的不确定性,对相对运动动力学模型进行了修正。在电磁力计算模型不确定和航天器间存在通信时延的条件下,对位置跟踪控制的目标设计了自适应协同控制器。考虑到电磁航天器磁矩产生能力的不同,给出了通过优化进行磁矩分配的方案。通过仿真表明:所设计的自适应协同控制器不仅实现了对期望轨迹的准确跟踪,而且相比人工势函数法,暂态维持编队构型的能力提高了4.9倍,并且所给出的磁矩分配方案实现了磁矩的合理分配。     

共面伴飞相对运动椭圆相位最省燃料控制问题

针对伴随微纳卫星资源受限,轨控需实现最省燃料控制的现实问题,基于Hill方程和二元函数极值理论,研究了共面编队伴飞卫星的最省燃料相位控制策略。分析结果表明：当需要改变的相位为锐角、ΔV<05nb横向控制对相对运动椭圆相位改变效率最高,ΔV=05nb|cosΘ|控后相位为相对运动椭圆左右点,同时将相对运动椭圆短半轴控小;以伴随卫星绕参考卫星共面伴飞相位控制为例,应用这一理论求解了控制策略。     

日心悬浮轨道混合推进航天器编队构型保持研究

针对混合推进航天器编队日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究.首先推导出在日心悬浮轨道附近的航天器编队相对运动方程，考虑到航天器间距离变化值较小且航天器间距离与航天器到太阳的距离的比值为小量，将其在悬浮轨道附近线性化.基于该线性化方程，设计了一种LQR编队控制方式，该控制方式可通过调节太阳帆的姿态及航天器间库仑力的大小对编队构型进行改变或保持，具有响应速度快和控制简单的特点.最后对控制律进行数值仿真，表明该控制方法能实现编队.     

电磁航天器编队悬停鲁棒协同控制方法

针对电磁航天器编队近地轨道悬停问题,提出一种在缺少参考轨道准确信息时的协同控制方法。用TH方程描述航天器间的相对运动,选择与参考轨道同周期的圆轨道为标称轨道。将参考轨道相对于标称圆轨道的偏差、地球非球形引力、大气阻力及其他天体引力等参数单独归类,视其为不确定量,构成不确定系统。通过引入一致性理论,在电磁作用模型和动力学方程均存在不确定性的条件下,针对航天器编队悬停的目标设计了鲁棒协同控制律。考虑能量消耗最优和均衡以及轨道姿态解耦,给出了通过优化进行磁矩配置的方案。仿真结果表明,所设计的鲁棒协同控制律能够实现编队电磁航天器高精度悬停,所给出的磁矩配置方案能够实现磁矩的合理分配。      

微纳卫星共面伴飞相对运动椭圆短半轴最省燃料控制

针对伴随微纳卫星资源受限、轨控需要尽可能节省燃料的现实问题,基于希尔（Hill）方程,研究推导了共面编队伴飞卫星的轨控时机和轨控方向对相对运动椭圆短半轴控制效率的影响。理论推导和仿真均表明：当控制量大小｜ΔV｜与相对运动椭圆短半轴b满足｜ΔV｜≤nb/2关系时（n为参考星平均轨道角速度）,在相对运动椭圆上下点进行横向或反横向控制,最大效率地将相对运动椭圆短半轴改变了｜Δb｜=2｜ΔV｜/n。其中,在上点反横向或下点横向进行控制,可以最大效率地增大椭圆短半轴;在上点横向或下点反横向进行控制,可以最大效率地减小椭圆短半轴。     

编队飞行卫星群构型保持及初始化

导出了基于相对轨道要素的编队飞行卫星群轨道相对运动控制的轨道机动方程；提出了编队飞行卫星群轨道相对运动控制的轨道机动控制策略，利用不同方向的脉冲控制相对运动的轨道参数，包括轨道平面内机动和轨道平面外机动控制。根据相对轨道要素的变轨机动控制，进行编队飞行卫星群构型的初始化。这样的构型初始化可以视作一次特殊的变轨机动控制，很容易实现编队飞行构型的初始化机动。     

相邻两航天器相对运动近似方程的解析解及比动能方程

给出了地心引力场中受控航天器相对目标航天器运动的推力加速度随时间线性变化时Hill方程的解析解，根据Hill方程导出了受控航天器相对目标航天器运动的比动能方程，并讨论了比动能方程在上述两天器轨道相遇和轨道交会问题中的应用。     

圆轨道串行卫星编队的相对运动研究

针对圆形轨道串行卫星编队进行研究,推导出满足开普勒轨道假设的相对运动方程,从物理概念上证明了这种描述关系的正确性;并在此基础上利用星间测量信息,设计扩展卡尔曼滤波器进行相对轨道自主确定,仿真结果验证了此相对运动方程与导航方案的有效性。     

卫星编队飞行有限时间控制方法

针对卫星编队飞行相对位置控制问题,提出了一种有限时间控制方法.首先,建立了编队卫星相对运动的非线性动力学方程.其次,设计了有限时间快速收敛的滑模面,提出了一种有限时间控制方法,该方法能保证闭环控制系统的全局稳定性和快速收敛性,并给出了理论证明.最后,将提出的方法应用于卫星编队飞行维持控制.仿真结果表明该方法在收敛时间和控制精度方面均优于传统线性滑模控制和终端滑模控制.     

利用大气阻力的横向编队维持控制

研究了航天器在近圆轨道面内横向固定间隔距离内伴飞编队维持问题。基于经典轨道要素偏差法分析了相对运动特性和大气阻力对相对运动的影响。根据利用大气阻力引起的横向相对运动漂移,设计了有利于长期伴飞编队维持的初始半长轴偏差和伴飞边界点的期望半长轴偏差,进一步给出了进行伴飞维持的边界点横向速度脉冲。仿真结果表明,该控制策略进行伴飞编队维持是可行的,维持所需的速度脉冲次数少、速度增量小,且算法简单,有利于航天器自主化实现。