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.     

编队飞行卫星群描述及摄动分析

定义了一组新的编队飞行卫星群相对运动描述参数 ,以及基于此的构型设计方法 ;并分析了地球非球形摄动对这组参数的影响 ,给出了为消除摄动长期影响所需的速度脉冲量 ,并对部分参数给出了减少摄动影响的设计方法     

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.      

地球静止轨道混合推进三星库仑编队队形保持控制研究

研究了地球静止轨道处混合推进三星库仑编队队形保持控制问题.首先考虑未知有界相对摄动影响，建立了地球静止轨道处混合推进三星库仑编队动力学方程.然后基于相对运动解析解，设计了投影圆轨道旋转编队构型.最后采用滑模控制方法，设计了控制器并证明其稳定性，用饱和函数对控制器进行了改进，消除了抖振的影响.通过控制编队内部静电力和补充电推力实现对预设队形的保持.仿真结果表明，混合推进方案响应速度快，控制精度高，达到了控制要求.     

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。     

皮纳卫星编队保持动力学分析

针对皮纳卫星在编队飞行中的控制精度要求已提高到微米甚至纳米级,文章研究了小推力作用下高精度的皮纳卫星编队构型保持问题,在考虑摄动影响下,推导维持编队构型需要的控制力与编队距离、编队空间方位等参数之间的关系,为皮纳卫星编队构型的设计提供理论指导;同时基于bang-bang控制理论,使用有限状态机设计了一种高精度的编队控制律。仿真表明,提出的控制方法不但可以使系统快速收敛,同时还能使皮纳卫星编队的星间控制精度达到1 μm,与滑模控制律相比较,精度提高近10³倍。     

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.      

椭圆轨道非线性相对运动模型的周期解与应用

在长期的航天器编队飞行中传统的基于线性相对运动模型设计编队保持轨道的方法会引起较多的燃料消耗.首先采用摄动法解析地求得了考虑二阶非线性项时椭圆轨道相对运动模型的周期性条件和周期解;然后以此周期解为参考轨道设计了基于Lyapunov稳定的PD保持控制律.仿真结果表明:基于椭圆轨道非线性相对运动模型的周期解较基于椭圆轨道线性相对运动模型的周期解,精度明显提高;以前者为参考轨道的保持控制与以后者为参考轨道的保持控制相比,燃耗明显降低.     

利用人工势函数法的卫星电磁编队控制

卫星电磁编队是指利用卫星之间相互作用的电磁力进行卫星相对运动控制,对控制律的要求主要是计算量小和能避免碰撞.以目标星对参考星的相对运动矢量作为控制对象,分析了使用电磁力控制卫星编队的可行性,结果是如果编队卫星磁矩能够任意控制,那么卫星相对运动也能完全控制.设计了人工势函数,以相对位置和相对速度矢量作为变量,人工势函数在达到控制目标时为最小值,在碰撞的位置具有局部最大值.设计的控制律能够实时调整控制参数,能够保证电磁线圈控制电流不至于饱和,以及人工势函数导数在控制过程中小于零.仿真表明,所设计的控制律能生成编队构型并避免碰撞,而且具有一定的抗干扰性.     

双星跟飞立体成像的构形保持控制

针对强干扰及输出饱和条件下微小双星立体成像的构形保持问题，提出一种基于观测器的抗干扰复合控制策略.根据立体成像双星跟飞运动机理，建立双星相对运动动力学模型；设计了一种自适应干扰观测器，可同时实现系统状态和干扰信息的在线估计，并采用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式技术给出观测器存在条件.采用极点配置方法改善观测器系统的动态性能，引入指数衰减因子提高控制器的收敛速度.考虑执行机构的输出饱和特性，提出一种加权PD+LQR反馈与干扰前馈补偿的复合控制策略，能够抑制未知干扰的影响，保证系统的动态和稳态性能，具备双星构形保持控制能力.仿真结果验证了所提算法的有效性.      

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.      

多星近距离绕飞观测任务姿轨耦合控制研究

针对多星近距离绕飞观测任务,建立了相对姿态轨道动力学模型,分别考虑了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型,以观测卫星视线始终指向目标为期望姿态,采用基于四元数和角速度误差反馈的比例 微分控制律以及一种改进的基于人工势场法的制导方法相结合,对相对姿态及轨道进行控制。仿真结果表明：在控制律的作用下,绕飞过程中各观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望相对轨道;在空间圆绕飞轨道构型中,各观测卫星从初始同一位置出发后,在任意时刻3颗观测卫星构成的编队构型始终为正三角形,且正三角形的边长从零逐渐增大,最终等于期望正三角形构型的边长。     

基于行为的非合作目标多航天器编队轨迹规划

目前航天器编队轨迹规划的研究并未综合考虑目标非合作性、构型复杂性及控制协同性等问题,针对非合作目标多航天器编队系统,提出了一种基于行为的相对运动轨迹规划方法。首先,基于聚集行为模型设计了期望运动场,将期望速度视为一系列具有不同行为特性的速度矢量和,通过构造平衡态构型公式计算行为调节参数。其次,采用高斯型环境函数描述了非合作目标特性,并通过C-W方程对期望运动场进行了改进,使得该方法在多航天器编队系统与非合作目标形成期望构型的过程中,既能避免编队成员之间发生碰撞,又能保证与非合作目标之间的安全距离。仿真结果表明,该算法可以使多航天器编队系统在3000s内运动至期望构型。该方法在复杂的、多个控制目标的编队飞行轨迹规划中优势明显,具有自主性、协同性、鲁棒性强等特点,同时可应用于不同类型的编队构型相对运动规划。     

星载InSAR空间基线指向优化与设计

分布式卫星SAR系统是近年来受到广泛重视的一种新的雷达成像手段,其中分布式InSAR充分利用编队星座卫星间构成的空间基线进行干涉测高,从而实现立体成像.在InSAR系统设计中,解决好编队星座的设计问题是实现高性能成像的前提和保证,合理的星座构形设计有助于提高测高精度,从而获得高品质的雷达成像效果.从InSAR测高精度分析结果入手,由飞行力学角度阐述星间相对运动对测高精度产生的影响,并基于分析结果给出了一种有别于现有星座的特色编队构形,并对其性能进行了初步分析.      

基于分段常值推力的水滴悬停构型控制策略

针对航天器编队飞行任务对相对运动控制的要求,研究了在分段常值推力控制下航天器受迫绕飞构型的设计与控制问题。首先,基于脉冲控制下的水滴悬停构型,提出了多段常值推力控制实现水滴悬停构型的打靶方程;将打靶方程转化为求解极值问题,采用最小二乘法来求解;分析了一段常值推力可行性。然后,以连续常值小推力控制方程为基础,推导了小邻域定理,分析了近距离相对运动条件下两段常值推力控制的可行性;针对可能出现求解精度差的问题,提出了小推力增量方程来修正精度,并证明在靠近理想解的情况下多次迭代可以趋近于理想解。最后,通过数值仿真实现常值小推力控制下的水滴悬停相对运动。数值仿真结果表明常值小推力控制策略可行,研究成果完善了航天器受迫绕飞构型设计与控制的相关理论,为工程应用提供参考。