日地系统拉格朗日点航天器编队飞行现状与关键技术

深空探测可以帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状,进一步认识地球环境的形成和演变,认识空间现象和地球自然系统之间的关系,因而具有重大的科学与技术意义。由于日地系统拉格朗日点附近的航天器编队适宜进行深空观测等科学使命,所以日地系统拉格朗日点航天器编队飞行技术就成为深空探测的重要技术之一。本文通过分析美欧若干日地系统拉格朗日点编队飞行使命,介绍了该项技术的发展现状,分析了拉格朗日点在深空探测中的战略地位,总结了日地系统拉格朗日点编队飞行的关键技术,并对这些关键技术进行了分析。     

编队飞行卫星群的轨道动力学特性与构形设计

编队飞行卫星群由一些相对距离近的小卫星组成,在严格的条件下,若干颗伴随卫星环绕一颗中心卫星作相对运动,相对轨道为特别性质的椭圆,本文研究了编队飞行卫星群的轨道动力学特性,提出了编队飞行的轨道构形设计的原则和方法。     

大椭圆轨道卫星编队T-S模糊控制

针对椭圆轨道卫星编队的相对运动模型参数大范围变化的情况,设计了基于T-S模糊模型的渐近跟踪控制器。该方法对非线性系统在一些选定工作点进行线性化,针对每一个线性模型采用LQR方法设计了局部渐近跟踪控制器。在此基础上,以卫星轨道角速度为前件,局部线性模型为后件,构造T-S模糊控制系统。然后采用线性矩阵不等式(LMI)方法分析系统的稳定性,保证系统的大范围渐近稳定。仿真结果验证了该控制系统能在大范围参数变化下工作良好。     

基于J2项摄动的MMS任务编队优化设计

Magnetospheric MultiScale(MMS)任务利用椭圆轨道远地点附近的正四面体航天器编队,协同完成对地球磁层结构和动力学特性的测量和分析.采用基于轨道根数的相对运动模型,分析了主航天器轨道根数对J2项影响下四面体平均性能指标--质量因子均值和平均边长均值的影响规律,并由此提出一种编队轨道优化设计方案,将其应用于第1阶段MMS任务的四面体构形设计中.该方案的设计变量包括主航天器的6个轨道根数和3个从航天器的15个相对轨道根数(除相对半长轴外),目标函数既考虑到四面体编队的平均性能,又兼顾了3个从航天器相对运动的受摄影响.仿真算例显示,在不施加主动控制的条件下,利用该方案设计远地点附近平均性能保持最优的四面体编队是可行的.     

卫星编队飞行的双参考向量定姿法

以微型扫描激光距离探测器(MS-LRF)为测量工具，将卫星绝对姿态确定方法中的双参考向量法用于卫星相对姿态的确定，给出了确定方法并对测量精度进行了分析。     

星载GPS接收机的设计与应用

随着空间技术的不断发展，星载GPS接收机已经逐渐发展成为航天器的一个重要平台载荷。它可以为航天器提供全球、全天候、实时、高动态、高精度的导航信息，并且提高航天器运行的自主性。本文对星载GPS接收机的设计及其在航天器，特别是编队飞行中的应用进行了阐述。文章介绍了几项应用GPS技术进行编队飞行的空间计划，指出了载波相位差分GPS技术在编队飞行相对导航中的重要作用；介绍了清华一号纳型卫星上的星载GPS接收机的研究进展，并在此基础上提出了编队飞行相对导航系统的设计方案。     

GPS在航天器编队飞行任务中的基础性作用

GPS正在改变航天器的测控格局 ,拓宽卫星和星座控制技术 ,从而构成空间编队飞行定时、测量和控制的技术基础。国内外已开发出对航天器编队飞行任务进行精确定位和导航的GPS方案。GPS将充当一大类多航天器编队飞行任务的导航系统。在当前开发的空间编队飞行技术中 ,编队航天器的测量和控制、星间链路通信、任务综合与验证、编队飞行试验台、分散式控制、高轨道航天器的相对导航等 ,无一不与GPS息息相关     

卫星编队飞行的无速度测量非线性鲁棒控制

本文基于带有界干扰的线性动力学模型，研究了卫星编队飞行中的相对位置控制问题。首先，在线性二次型最优控制的基础上，设计了一种非线性控制律，并使用李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的稳定性。接着，通过对线性系统状态观测器进行改进，得到了一种非线性速度观测器，观测误差被证明是渐近收敛的。观测器与控制律的结合实现了无速度测量的控制，闭环系统被证明是渐近稳定的。文末的数值仿真验证了理论分析。     

拉格朗日点附近编队的离散控制方法

由于拉格朗日点的独特空间位置，它附近的编队研究对深空探测有着很重要的意义。讨论了日地系统拉格朗日点附近编队的脉冲控制方法，给出了一种简单的实现编队的迭代算法。基于该算法，讨论了两种不同控制策略。根据编队任务的特点，定义了几个与编队误差和能量消耗相关的性能指标。通过仿真圆形编队算例，对两种策略进行了比较分析。结果表明策略二无论在消耗能量方面还是在误差控制方面都优于策略一。对于策略二，当脉冲间隔一定时，能量消耗随编队半径的增加线性增加。当编队半径一定时，误差随脉冲间隔的减小呈指数减小，而能量消耗随脉冲的变化很小。     

椭圆轨道编队常值推力构形变化控制方法

采用T-H方程作为椭圆轨道编队的动力学描述，推导了常值推力作用下的椭圆轨道编队的构形变化控制方法。通过合理的选择控制量的作用时刻，可达到大量节约燃料的目的。结合该构形控制方法给出了燃料均衡与燃料最优的解决方案；最后，给出的仿真算例说明了本文设计方法的有效性。