导航卫星高精度太阳光压摄动分析建模及验证

为提高导航卫星精密定轨与轨道预报精度,提出了一种导航卫星太阳光压摄动的分析建模方法.相较于其他摄动因素模型完善且精度较高,光压摄动由于太阳活动导致太阳能量误差、卫星姿态控制误差和表面材料老化等问题,是最难以精确建模的摄动源,也是动力学模型最大的误差源.基于此,提出了一种基于卫星的姿态控制规律,通过分析法建立卫星太阳光压摄动模型,给出了光压摄动加速度在星体坐标系中的模型,并以GPSBlock IIR为例进行了验证.计算结果表明,该仿真分析法所建立的摄动模型与T30模型、ECOM模型精度接近,达到了光压建模研究的初步计算要求.     

“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。     

复杂航天器的太阳光压建模方法

针对几何形状比较复杂的航天器光压建模时存在的不同光照特性的材料相互遮挡重叠、传统的简化或经验公式难以满足精度要求的困难,基于精确三维几何模型,利用虚拟视觉原理得到航天器垂直于太阳矢量截面形状,并结合截面各类材料光压系数等特性计算总的等效光压面积和系数。针对该方法计算量较大问题,提出一种根据设定姿态模式事先计算结合实时插值的快速简化算法。考虑到材料特性在空间环境中可能发生的变化,可将其调整为半经验公式,通过观测数据对材料光压系数进行最优估计并应用。仿真实例表明,提出的分析方法可有效反映航天器各部分的相互遮挡,与传统模型相比有一定优势。     

基于经验加速度的低轨卫星轨道预报新方法

研究将定轨过程中的经验加速度应用于地球低轨卫星轨道预报的新方法. 利用GPS伪距观测数据和简化动力学最小二乘批处理方法对地球低轨卫星定 轨, 其中卫星位置、速度及大气阻力系数和辐射光压系数可以直接用于轨道预报. 作为简化动力学最重要特征的经验加速度呈现准周期、余弦曲线特点, 可通过 傅里叶级数拟合建模. 确定性动力学模型与补偿大气阻力模型误差的切向经验 加速度级数拟合模型组成增强型动力学模型用于提高轨道预报精度. 应用 GRACE-A星载GPS伪距观测数据和IGS超快星历定轨并进行轨道预报, 结果表明 轨道预报初值位置精度达到0.2m, 速度精度达到1×10-4m·s-1, 预报3天位置精度优于60m, 比只利用确定性动力学模型进行预报精度平 均提高2.3倍. 先定轨后预报的模式可用在星上自主精确导航系统中.      

“龙江2号”月球轨道微卫星定轨分析

微纳卫星深空探测任务中,通常所分配的测控资源有限,因此有必要对有限测控资源条件下微纳卫星的定轨精度进行分析。以微纳卫星深空探测为背景,采用"龙江2号"微卫星的轨道测量数据对其定轨精度进行了分析。"龙江2号"微卫星只有USB轨道测量数据,且环月段测控资源相对紧张,每天有两站跟踪,共约3～4 h的轨道测量数据。首先介绍了"龙江2号"微卫星飞行任务及其飞行过程中影响测定轨的因素;其次给出了定轨的动力学模型,对微卫星地月转移段的定轨精度进行了分析;最后通过分析摄动力、动量轮卸载以及数据弧段长度的影响,给出了微卫星环月阶段所使用的定轨策略,并通过重叠弧段比较的模式,给出了微卫星环月段的定轨精度。研究结论可以为后续微纳卫星深空探测任务提供有益参考。     

深空探测航天器巡航段自主导航方法研究

对深空探测航天器自主导航方法进行了研究。为了应对深空探测中航天器轨道动力学模型的误差，在分光计测量航天器相对于太阳径向速度基础上，引入了小行星的视线矢量测量。通过最小二乘法计算出由小行星视线矢量所得到的位置信息，采用改进的信息融合方法修正扩展卡尔曼滤波中不精确的动力学模型造成的状态估计误差。同时计算了模型的能观度，对模型的可观性进行了分析。最后对算法进行了仿真分析，仿真结果表明，该算法对动力学模型的依赖性明显低于其他算法，在相同模型精度下，可获得更好的滤波精度。     

面向"CE-3号"软着陆过程的深空网干涉测量技术

针对"CE-3号"探测器软着陆过程中弹道位置测定的问题,利用中国深空网干涉测量测轨数据,论述并验证了应用深空网干涉测量技术支持探月卫星软着陆过程中弹道位置测定的可行性。针对提取同一时刻观测量的两个核心技术,论述了自适应模型重构算法以及干涉相位解模糊算法,克服了软着陆过程航天器机动不确定性恶化轨道预报精度,进而引起相关引导模型失效的问题;利用跟踪过程中目标干涉相位连续特性递推实现干涉相位解模糊。实测数据的处理分析表明,深空网干涉测量数据处理分析精度在0.3ns量级,对应于约30nrad的角位置精度。     

“嫦娥二号”小行星探测试验定轨计算与分析

嫦娥二号于2012-04-15开展对图塔蒂斯小行星的探测试验,至2012-12-13与图塔蒂斯交会,共飞行243 d,这是我国对小行星的首次探测.因为未安装星载导航设备,CE-2 在小行星探测试验的全过程均基于地基USB（Unified S-Band）与甚长基线干涉测量技术（VLBI,Very Long Baseline Interferometry）测量实现导航.对小行星探测期间的定轨计算及精度分析进行了讨论,对我国新建深空站的测量数据进行了分析.针对交会前最后一次轨道机动后,仅有13 d控后数据的现状,提出了快速轨道重建策略.计算结果表明该策略不仅可以有效改进定轨计算精度,还可以实现轨控速度增量的标定.基于重叠弧段的轨道分析比较表明,单独使用USB长弧数据计算可以获得10 km的定轨精度,综合USB与VLBI数据联合定轨,定轨精度可以提高1倍.     

利用VLBI技术进行深空航天器跟踪的仿真分析

差分VLBI(D-VLBI)技术常用于测量航天器相对于参考射电源的角位置,用其跟踪深空航天器可取得足够高的精度。针对深空探测任务中D-VLBI技术的特性,提供了观测时间间隔的设置参考,通过仿真分析,研究了航天器和参考射电源之间的角距离、传播路径上的介质差异等因素及其对观测精度的影响,为后续深空航天器飞行任务的设计提供技术支持。     

对一种月球与火星探测多程微波测量链路定轨定位的数值模拟初步分析

轨道器精密定轨与着陆器的精确定位在深空探测任务中具有非常重要的科学意义。对一种月球与火星探测多程微波测量链路的定轨定位能力进行了初步仿真分析,推导了这种多程微波测量链路的测量模型,分析了该模型的优势。模拟仿真分析结果表明,此测量跟踪模式的数据具有提升轨道精度的潜在能力,并且同时求得着陆器的位置。定量分析表明,在考虑坐标系转换误差,重力场误差,行星历表误差以及星上转发误差的情况下,模拟1 mm/s的噪声,对于月球探测器来说,轨道器的定轨精度可达几米,着陆器的定位精度有望达到分米量级;对于火星探测器来说,轨道器的定轨精度可达到数10 m,着陆器的定位精度可达到几米。     

轨道维持与调相的综合优化策略研究

在交会对接飞行任务设计研究中必须首先确定目标航天器的轨道设计策略,研究了一种将目标航天器轨道维持和调相两种任务进行综合优化的策略.轨道维持的任务是使得目标航天器轨道的形状和位置符合交会要求,调相的任务是使目标航天器在轨道中的初始相位角符合交会要求.在考虑了交会对接发射窗口、交会终端约束条件下,将目标航天器轨道设计问题转化为一个非线性规划问题,应用序列二次规划方法对其进行了求解.仿真计算表明,这种方法既能以较少变轨次数满足交会对接任务要求,又能节省燃料,为空间交会对接任务规划提供了重要参考.     

Spacecraft formation and orbit control using differential attitude-dependent solar radiation pressure

This paper introduces a linear model for spacecraft formation dynamics subject to attitude-dependent solar radiation pressure (SRP) disturbance, with the SRP model accounting for both absorption and specular/diffuse reflection. Spacecraft attitude is represented in modified Rodriguez parameters (MRPs), which also parameterize the orientation of individual facets for a spacecraft with fixed geometry. Compared to earlier work, this model incorporates analytic approximation of the SRP-perturbed chief orbit behavior in a manner enabling its use in applications with infrequent guidance updates. Control examples are shown for single-plate representations of hypothetical spacecraft with generally realistic optical parameters. The results demonstrate the validity of the model and the feasibility of SRP-based formation and rendezvous control in orbits around small bodies and in high orbits around the Earth such as the GEO belt.     

An empirical solar radiation pressure model for satellites moving in the orbit-normal mode

We present a family of empirical solar radiation pressure (SRP) models suited for satellites orbiting the Earth in the orbit normal (ON) mode. The proposed ECOM-TB model describes the SRP accelerations in the so-called terminator coordinate system. The choice of the coordinate system and the SRP parametrization is based on theoretical assumptions and on simulation results with a QZS-1-like box-wing model, where the SRP accelerations acting on the solar panels and on the box are assessed separately. The new SRP model takes into account that in ON-mode the incident angle of the solar radiation on the solar panels is not constant like in the yaw-steering (YS) attitude mode. It depends on the elevation angle of the Sun above the satellite’s orbital plane. The resulting SRP vector acts, therefore, not only in the Sun-satellite direction, but has also a component normal to it. Both components are changing as a function of the incident angle. ECOM-TB has been used for precise orbit determination (POD) for QZS-1 and BeiDou2 (BDS2) satellites in medium (MEO) and inclined geosynchronous Earth orbits (IGSO) based on IGS MGEX data from 2014 and 2015. The resulting orbits have been validated with SLR, long-arc orbit fits, orbit misclosures, and by the satellite clock corrections based on the orbits. The validation results confirm that—compared to ECOM2—ECOM-TB significantly (factor 3–4) improves the POD of QZS-1 in ON-mode for orbits with different arc lengths (one, three, and five days). Moderate orbit improvements are achieved for BDS2 MEO satellites—especially if ECOM-TB is supported by pseudo-stochastic pulses (the model is then called ECOM-TBP). For BDS2 IGSOs, ECOM-TB with its 9 SRP parameters appears to be over-parameterized. For use with BDS2 IGSO spacecraft we therefore developed a minimized model version called ECOM-TBMP, which is based on the same axis decomposition as ECOM-TB, but has only 2 SRP parameters and is supported by pseudo-stochastic parameters, as well. This model shows a similar performance as ECOM-TB with short arcs, but an improved performance with (3-day) long-arcs. The new SRP models have been activated in CODE’s IGS MGEX solution in Summer 2018. Like the other ECOM models the ECOM-TB derivatives might be used together with an a priori model.     

在轨航天器地气光环境分析

为得出定量化的遥感观测地气光环境数据,建立了简化的航天器地气光分布计算模型,首先将航天器及其各类运行轨道归纳到统一的照明模式中,地气光的分布主要考察航天器轨道面与地球晨昏面的夹角,然后考察航天器在每轨中的具体相位,以建立照度的几何传递关系;随后考察太阳辐照经地表后,最终到达航天器遥感观测载荷的光照度.计算结果能反映地气光在载荷观测方向2π半球视场内的分布情况,根据分布随空间变化的具体量级,对不同的离轴角进行照度积分,可转化为对观测仪器的地气光抑制能力要求.      

太阳帆航天器编队维持和重构的方法研究

针对高面质比航天器可以利用太阳光压进行轨道控制的特点,本文提出一种太阳帆航天器编队构型维持和重构的方法.该方法通过控制主从航天器太阳帆姿态角和反射系数,调整主从航天器之间的光压差,产生抵消编队成员间相对运动受到摄动差或进行轨道机动时所需的连续小推力,从而实现编队构型的维持和重构.仿真结果表明,在主航天器太阳帆的姿态角和反射系数相对固定的条件下,对于太阳同步轨道上的高面质比太阳帆航天器编队,使用滑模控制方法,能够调整编队中从航天器太阳帆的姿态角和反射系数产生推力抵消摄动力影响,达到长期维持太阳帆航天器编队构型的目的;通过开环控制方法,能够调整编队中从航天器太阳帆的姿态角和反射系数产生连续小推力,在较长时间周期内实现编队重构.     

载人飞船阻尼摄动模型和轨道预报精度

在正常飞行状态下，飞船保持三轴稳定和对地定向姿态，其时太阳翼指向不是气流方向，它的阻尼模型较为复杂。文章阐述了载人飞船大气阻尼摄动模型将本体和太阳翼分开处理的必要性；对中国局域网的USB跟踪测量，轨道确定和预报达到了制动返回所需要的较高精度。     

姿态角幅值约束下的太阳帆Lissajous轨道保持控制

太阳帆航天器以两姿态角作为轨道控制输入时, 其轨道动力学方程具有非仿射非线性特性. 通过人工平动点处线性化获得的线性系统可完成太阳帆航天器轨道保持控制器的分析与设计. 由于线性近似模型为有误差模型, 存在近似有效范围约束, 表现为轨道高度约束和姿态角幅值约束. 本文研究了姿态角幅值约束对线性近似模型有效性的影响, 通过计算给出满足近似误差要求的姿态角幅值约束. 当控制输入存在幅值约束时, 控制器轨道修正能力受到束缚. 通过研究姿态角幅值约束下的最大允许入轨误差, 设计了最大允许入轨误差下线性二次型调节器(LQR)用于轨道保持控制, 并将控制器应用于太阳帆日地三体系统非线性模型中, 实现了日地人工L₁点Lissajous轨道最大允许入轨误差的控制收敛和良好精度下的轨道保持控制.      

Influence of curved thin-film device on deformation of a solar sail

A spinning solar sail IKAROS’s membrane is estimated to unexpectedly deform into an inverted pyramid shape due to thin-film devices with curvature, such as thin-film solar cells and steering devices on the membrane. It is important to investigate the deformation caused by the curved thin-film devices and predict the sail shape because the out-of-plane deformation greatly affects solar radiation pressure (SRP) and SRP torque. The purpose of this paper is to clarify the relationship between the global shape and orientation and position of curved thin-film devices and to evaluate SRP torque on the global shape using finite element analysis. The global shape is evaluated based on the out-of-plane displacement and the SRP torque. When the curved thin-film devices make the membrane shrink in the circumferential, diagonal, and radial direction, the sail deforms into a pyramid shape, an inverted pyramid one, and a saddle one, respectively. The saddle shape is more desirable for solar sails than the inverted pyramid shape and the pyramid one from the viewpoint of shape stability to SRP and control of SRP torque in the normal direction of the sail (windmill torque). The position of the thin-film device tends to increase the absolute value of windmill torque when it is biased circumferentially from the petal central axis. The suggested design principles for the arrangement of thin-film devices is that the curved thin-film devices should be directed so that the sail shrinks in the radial direction in order to deform the sail into a saddle shape with high shape stability, and the position of the thin-film devices should be biased in the circumferential direction paying attention to the absolute value of windmill torque to determine the direction of windmill torque.     

一种深空粒子采样返回探测器构型设想

以太阳风粒子、深空尘埃等为目标的采样返回探测任务是空间科学与深空探测研究的热点方向之一。对“星尘号”“起源号”两个典型采样返回探测器的构型进行了分析,并梳理了其主要构型特点。结合我国月地高速再入返回飞行器的构型特点,提出了一种深空粒子采样返回探测器构型的设想：总体构型由长方形主体和流线型返回器组成,主体构型适应于承载返回器和其他装器设备,返回器构型适应于样品收集和再入返回气动外形。设计方案采用了充气式采样器进行粒子收集,具有体积小、重量轻、折叠效率高、展开可靠、工程实施简单等特点,并采用了可重复收拢展开的太阳翼,能够适应收集不同类型深空粒子的需求。