Deorbiter CubeSat mission design

This paper presents the mission design for a CubeSat-based active debris removal approach intended for transferring sizable debris objects from low-Earth orbit to a deorbit altitude of 100 km. The mission consists of a mothership spacecraft that carries and deploys several debris-removing nanosatellites, called Deorbiter CubeSats. Each Deorbiter is designed based on the utilization of an eight-unit CubeSat form factor and commercially-available components with significant flight heritage. The mothership spacecraft delivers Deorbiter CubeSats to the vicinity of a predetermined target debris, through performing a long-range rendezvous maneuver. Through a formation flying maneuver, the mothership then performs in-situ measurements of debris shape and orbital state. Upon release from the mothership, each Deorbiter CubeSat proceeds to performing a rendezvous and attachment maneuver with a debris object. Once attached to the debris, the CubeSat performs a detumbling maneuver, by which the residual angular momentum of the CubeSat-debris system is dumped using Deorbiter’s onboard reaction wheels. After stabilizing the attitude motion of the combined Deorbiter-debris system, the CubeSat proceeds to performing a deorbiting maneuver, i.e., reducing system’s altitude so much so that the bodies disintegrate and burn up due to atmospheric drag, typically at around 100 km above the Earth surface. The attitude and orbital maneuvers that are planned for the mission are described, both for the mothership and Deorbiter CubeSat. The performance of each spacecraft during their operations is investigated, using the actual performance specifications of the onboard components. The viability of the proposed debris removal approach is discussed in light of the results.     

火星轨道交会自主导航与制导方法

对火星采样返回任务中的火星轨道交会自主导航和制导技术进行了研究。采用光学自主导航敏感器测量的火星中心方向和视半径，相对敏感器测量的相对位置等观测量，设计了导航滤波器同时估计轨返组合体和上升器的轨道。在导航滤波器设计中，针对光学自主导航敏感器更新频率远低于滤波解算频率的问题，设计了一种连续观测量构造算法，确保每个滤波周期均可进行测量更新，以提高导航精度。基于导航滤波器估计结果，采用T-H制导设计了4脉冲共椭圆交会策略实施轨道控制，从而构成近程交会自主导航和制导方案用于完成火星轨道交会任务。通过数学仿真校验了所提出方法的有效性。     

航天器近距离交会的固定时间终端滑模控制

针对航天器近距离交会段的位置姿态耦合控制问题，假设航天器受外界干扰且目标航天器存在空间自由翻滚情形时，基于固定时间概念设计了一种六自由度位姿终端滑模自适应控制器，通过引入显含正弦函数的切换项来避免奇异问题。此外所设计的控制器含双幂次项，不仅能全局提高姿态和位置的跟踪速度及精度，还能估计系统稳定所需的时间上界，且该上界与状态初始值无关。基于Lyapunov方法分析了闭环系统的固定时间稳定性。仿真结果表明，该控制器能快速实现对航天器近距离交会时相对位置和姿态的控制，具有较高的精度和良好的干扰抑制能力。     

在轨服务的相对运动耦合动力学建模与分析

研究在轨服务航天器逼近与捕获目标航天器的相对轨道姿态耦合动力学建模问题。考虑航天器姿态与对接位置的运动耦合,建立目标运行在任意轨道下的相对轨道姿态耦合动力学模型,并对模型中的运动耦合进行深入分析。设计一种非线性的输出反馈姿态控制律,将建立耦合动力学模型与CW方程进行仿真比较,验证轨道与姿态的运动耦合对两航天器对接点之间相对位置的运动影响。     

基于液相污染模型的航天器交会对接羽流污染研究

航天器交会对接任务一般由主动对接方和被动目标配合完成,交会对接飞行的主动寻的段和分离撤离段均可能出现主动对接方开启反向发动机进行反向紧急制动和撤离的情况,该情况下被动目标可能受到来自主动方反向发动机羽流污染影响。文章利用国际空间站羽流污染计算模型对交会对接任务羽流污染沉积进行了分析计算。     

水平冲量作用下共面椭圆轨道上航天器的交会

本文研究了在三次水平冲量作用下,一般共面椭圆轨道上两个航天器的固定时间交会问题。推导了完成交会的必要条件,给出了三次水平冲量的大小及其作用时刻的计算方法。     

伴飞航天器燃料最优交会

应用遗传算法针对伴飞航天器由共面椭圆伴飞轨道不同位置出发，与中心航天器进行直接碰撞交会和软交会的燃料最优问题，进行了历遍求解。根据计算结果，应用多元线性回归分析得到了直接碰撞最优交会问题的解析解表达式。直接碰撞最优交会问题的解析解可作为软交会问题的次优解。     

视场约束的交会对接V-bar撤离控制研究

利用解析和数值结合的方法研究了在视场约束条件下交会对接V-bar撤离的控制问题。描述了交会对接V-bar撤离的径向冲量机动方案，说明了径向机动撤离方案具有减少羽流污染和故障情况下能够避免飞行器碰撞的优点。基于CW方程推导出了机动点位于V-bar上的特殊情况下径向冲量和视场角的解析公式，同时也得到了求最大视场角时刻和冲量作用后V-bar方向撤离距离的计算公式。对于任意机动点的一般情况，得到了求解径向冲量和视场角关系的非线性方程，这一方程可利用数值方法求解。最后，通过数值仿真验证了该方法的正确性。     

空间交会动力学和安全模式

本文首先导出空间交会相对运动方程并给出其物理解释,然后给出动力学方程的解析解,并分析其动力学性质,最后导出不碰撞安全区和位置保持点的表达式。选择适当初始条件可以求出安全区和保持点。