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。     

EKF/UKF在编队飞行卫星GPS相对导航中的应用

 　航天器编队飞行协调工作,必须精确确定各航天器的相对位置和相对速度,即进行编队飞行相对导航。将扩展卡尔曼滤波(EKF,extended Kalman filter)和非线性滤波unscented Kalman filter(UKF)算法同时应用于编队飞行卫星的载波相位差分GPS相对导航。EKF与UKF算法原理不同,UKF算法的精度比EKF的精度高。在实际应用中,可以将两种算法组成互为备份的相对导航滤波器,这样可提高滤波系统冗余性能。     

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。     

四元数、Rodrigues参数在卫星姿态解算上的对比研究

详细阐述了罗德里格(Rodrigues)参数及改进型罗德里格(Modified Rodrigues)参数与四元数间的关系;推导了Rodrigues参数及改进型罗德里格参数微分方程和姿态阵,提出了后者避免奇异性的方法。通过仿真对以Rodrigues参数及改进型罗德里格参数描述的卫星姿态算法和以四元数描述的姿态算法在计算量和计算精度上进行了详细比较。仿真结果表明,Rodrigues参数和改进型罗德里格参数计算精度相当且计算量上优于四元数。     

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。     

无陀螺下基于修正罗德里格参数的星体姿态确定

介绍了修正罗德里格参数(MRP),分析比较了姿态表示参数修正罗德里格参数和四元数的算法特点。通过仿真计算,比较了当卫星受一阶马尔柯夫干扰力矩作用和CCD星敏感器为唯一星载角运动传感器时,分别用修正罗德里格参数和四元数作为姿态表示参数,采用UKF(Unscented Kalman Filter)估计卫星航向、姿态及相应角速率的滤波效果。结果表明,用修正罗德里格参数法的姿态解算精度比用四元数法的姿态解算精度高,且计算效率明显优于四元数算法,计算量仅相当于四元数算法的一半,这是由于四元数的规范化条件(即模值为1),在姿态确定中会导致误差协方差阵奇异,而修正罗德里格参数虽然不是全局非奇异的,但是可以通过切换方法解决奇异性问题。     

GPS用于编队星座的姿态与相对位置确定

利用载波相位差分GPS技术确定编队星座的姿态和相对位置时，由于卫星状态间的相互耦合和差分观测值的相关性，应该联合星内和星间的差分观测进行状态的整体解算，文中给出了利用星间差分观测值形成的空间网形束、联合星内和星间差分确定编队星座姿 态和相对位置方法，数学仿真结果表明该方法的有效性。     

基于网络同步的航天器编队飞行姿态控制方法

航天器编队飞行需要协同控制系统进行统一的协调管理,以实现协同工作。文章将网络同步控制理论应用于航天器编队飞行姿态控制,以提高航天器编队飞行姿态控制的协同性。首先,采用修正的罗德里格斯参数描述航天器姿态动力学;然后,基于网络同步控制算法,设计航天器编队飞行的非线性姿态协同控制律;考虑成员航天器间姿态变化的差异,采用混合控制技术,设计航天器编队飞行混合控制策略。仿真结果验证了控制方法和控制律的有效性,并且相比单一反馈机制,混合控制具有更好的控制品质。     

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。     

基于约化相对轨道拟平根数的长期稳定高精度卫星编队导航技术

针对基于星间相对测量的相对导航算法中由测量方程将相对轨道拟平根数转化为相对位置过程导致的模型非线性,提出一种基于约化相对轨道拟平根数的卫星编队导航方法.该方法通过编队卫星之间一段时间的切向漂移估计半长轴偏差,合理处理半长轴偏差对双星相对动力学的影响,克服了模型线性化造成的误差,能够实现长期稳定的高精度卫星编队导航.     

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。     

Hardware-in-the-loop simulations of GPS-based navigation and control for satellite formation flying

A relative navigation and formation control algorithm for satellite formation flying was developed, and a hardware-in-the-loop (HIL) simulation testbed was established and configured to evaluate this algorithm. The algorithm presented is a relative navigation estimation algorithm using double-difference carrier-phase and single-difference code measurements based on the extended Kalman filter (EKF). In addition, a state-dependent Riccati equation (SDRE) technique is utilized as a nonlinear controller for the formation control problem. The state-dependent coefficient (SDC) form is formulated to include nonlinearities in the relative dynamics. To evaluate the relative navigation and control algorithms developed, a closed-loop HIL testbed is configured. To demonstrate the performance of the testbed, a test formation flying scenario comprising formation acquisition and keeping in a low earth orbit (LEO) has been established. The relative navigation results from the closed-loop simulations show that a 3D RMS of 0.07 m can be achieved for position accuracy. The targeted leader–follower formation flying in the along-track separation of 100 m was maintained with a mean position error of approximately 0.2 m and a standard deviation of 0.9 m. The simulation results show that the HIL testbed is capable of successful demonstration of the GPS-based satellite autonomous formation flying mission.     

输入受限的编队卫星分布式姿态协同控制

研究了跟踪时变参考姿态情况下的编队飞行卫星协同控制问题,提出了一种非线性饱和的分布式协同控制器。在控制器中引入了一个双曲正切函数向量,保证了连续控制输入的有界性。采用Barbalat引理对姿态跟踪情况下闭环协同控制系统的稳定性进行了分析,得出了系统渐近稳定的结论。通过对各种条件下的仿真,验证了算法的有效性,并确立了编队卫星信息流图的拓扑结构和控制器增益等因素与暂态过程中相对姿态保持性能的关系。     

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。     

环火星自主导航系统设计及参数优化研究

当前火星探测器环绕段的导航信息主要依赖地面深空探测网提供,基于光学成像的导航方式尚不能提供较高的导航精度。因此提出一种应用相对测量的探测器实现火星环绕段的自主导航。两颗编队飞行的探测器进行相对测量,观测信息为探测器之间的相对视线矢量(LOS)。同时利用主星的星敏感器确定星体在惯性空间的姿态,将观测信息转换至惯性系下获得简化的观测方程,使用扩展卡尔曼滤波器(EKF)对卫星的轨道进行确定。介绍了具体导航方案的实现方法和技术细节,使用粒子群优化方法(PSO)对模型设计的相关参数进行优化,导航精度得到明显提高。实现位置确定精度10 m,速度确定精度0.01 m/s。为设计最优的编队导航系统参数提供了有效思路。     

Hybrid optimization for multiple-impulse reconfiguration trajectories of satellite formation flying

A hybrid optimization method is developed for fuel-optimal reconfigurations of a group of satellites flying in formation. The genetic algorithm performs a global search to find two-impulse trajectories, and primer vector analysis finds multiple-impulsive local optimal trajectories with the two-impulse trajectories as initial guesses. Hybrid optimization finds globally optimal trajectories for formation reconfigurations, including formation resizing, reassignment and reorientation maneuvers. Multiple-impulse trajectories reduce the fuel consumption from the two-impulse trajectories by up to 4.4% for those maneuvers. In real missions, satellites can follow two-impulse trajectories to gain the advantage of a smaller number of impulses, with the cost of slightly more propellant. The qualitative characteristics of the optimal trajectories are analyzed from the number of optimal trajectories found by hybrid optimization.     

星间链路天线相对姿态的地面模拟

星间链路天线的相对姿态模拟为星间链路的测试验证提供近真实的动态姿态环境,是星间链路系统地面测试的重要组成部分。建立多个坐标系统将两颗卫星天线的位置和姿态联系起来,利用卫星星历将天线的相对姿态表示为一颗卫星天线在另一颗卫星天线坐标系中的方向向量,利用两个二轴转台实现此方向向量,最终通过控制转台的转角模拟卫星天线的相对姿态变化。同时计算天线波束的方向,分析了两颗卫星的可见性。天线相对姿态的模拟为星间链路的建立和保持提供动态测试环境。