基于拟欧拉角描述的上面级姿态控制律设计

上面级在多星部署过程中将涉及大角度姿态机动问题,卫星释放所引起的质心横移将给上面级姿态控制带来困难。根据系统质心的横移情况,在上面级体坐标系中确定矢量喷管的平衡位置,进而确定出矢量喷管指向指令方向时的上面级姿态。调制姿态四元数可以得到描述上面级姿态偏差的拟欧拉角及相应的拟欧拉角速度,在拟欧拉角描述的上面级姿态运动模型的基础上,选择合适的滑模面,构造变结构控制律。仿真结果表明,该控制律可对上面级姿态进行控制,进而实现对矢量喷管指向的间接控制,喷管摆角的限幅不会影响姿态控制的过程。     

北斗三号卫星与上面级供电相关接口分析及验证

卫星采用运载火箭上面级发射入轨期间,经历了由大椭圆轨道至圆轨道的过程,飞行姿态经历了变轨、慢旋、分离后巡航等多个阶段。在太阳翼展开前,卫星要经历比自身变轨更为恶劣的高低温环境及能源紧张等供电风险。在分离时刻的太阳翼碰撞或干涉安全性也需要重点关注和分析。针对北斗三号一箭双星采用上面级直接入轨方式的特点,分析了卫星与上面级间的供电和热设计接口,并从双星分离安全性角度考虑,分析影响卫星与上面级接口安全性的主要要素,并对应用和验证情况进行总结。     

基于蒙特卡罗方法的小卫星偏心分离动力学分析

对小卫星单星偏心分离动力学进行了研究。建立了基于多体动力学理论的偏心在轨分离模型,用ADAMS平台对小卫星分离过程动力学进行仿真,结果显示两者误差小于0.15%,验证了仿真模型的正确性。用Monte-Carlo法对分离动力学性能进行了优化,分析了不同因素对分离角速度和分离速度的敏感度,给出了三种优化方案。     

先进上面级变轨段姿态解耦控制研究

针对多星部署先进上面级变轨段三轴姿态严重耦合以及主发动机开机引起的较大干扰力矩问题,研究了基于反馈线性化的姿态解耦算法。通过给出上面级多星部署任务中的坐标系和姿态角定义,建立了欧拉角描述的姿态动力学与运动学方程。分析了推力矢量与姿控发动机的控制方案,描述了该方案中主发动机、伺服机构和姿控发动机的配置结构,推导了推力矢量控制中的主发动机摆角计算公式和主发动机工作时质心偏移引起的干扰力矩。基于反馈线性化理论,设计了上面级姿态解耦控制律。算例验证结果表明姿态角速率误差和姿态角误差能够快速趋于1°/s和0.5°。文中设计的姿态解耦控制算法具有良好的稳定性和可行性。     

一箭多星发射飞行间距预示方法研究

针对一箭多星发射中的多颗卫星碰撞风险问题,文章在标称星箭分离力基础上叠加分离力的理论误差,基于在轨飞行数据得到姿态控制作用力,并加入到轨道预报模型中,提出了综合分离力误差、姿态控制作用力及轨道摄动影响的多重作用力分析模型,可实现对一箭多星发射条件下多个空间物体的最小飞行间距的预报。在工程任务中,采用该方法可以有效识别出卫星发生碰撞的风险,为确保卫星的飞行安全和发射任务的圆满完成奠定基础。     

运载火箭上面级功能与技术发展分析

对狭义的运载火箭上面级的功能与技术发展进行了综述.介绍了美国阿金纳、半人马座,俄罗斯的Fregat、微风,欧空局的EPS等典型上面级的应用和性能参数.概述了上面级应用灵活性不断提高、性能不断提升、功能不断发展等主要发展趋势.分析了运载火箭上面级的多星发射部署、卫星直接入轨、火箭运载能力增加、完成特定入轨任务等应用.讨论了运载火箭上面级需发展的总体优化、轻质化等技术.探讨了我国发展运载火箭上面级的建议.     

运载器级间冷分离使用直接力姿控方法研究

侧向喷流直接力控制技术已在大气层外动能拦截器和大气层内防空导弹中得到成功应用.运载火箭作为跨大气层飞行器,可尝试采用该技术进行姿态、轨道控制.介绍了一种由侧向喷流发动机作为姿态控制执行机构的运载器,讨论了该运载器在级问冷分离过程中进行姿态控制的可能性,建立了运载器在大气层外飞行条件下的分离姿态动力学模型,并设计了滑模变结构姿态控制规律.仿真结果表明,所设计的级间分离姿态控制方法能降低上面级的初始姿态误差.     

上面级直接入轨卫星星箭供电接口设计与验证

针对上面级直接入轨卫星转移轨道阶段用电需求如何解决的问题,文章根据上面级供电接口通用设计原则,从电源拓扑、箭内星用电池、供电安全等3个方面提出"一箭双星"上面级直接入轨卫星星箭电接口具体设计方法,并对其发射应用情况进行了总结。应用结果表明,该设计可以满足卫星与上面级分离前5h以上的用电需求,可以为各类型的上面级直接入轨卫星星箭供电接口设计提供参考,解决转移轨道段用电难题,提高卫星用电效率和可靠性。     

上面级发射中高轨道卫星外热流分析

研究发射轨道的外热流是卫星热控制系统设计的基础。针对上面级发射轨道的特点和卫星姿态，推导出上面级滑行段和点火段瞬态及平均外热流计算公式。以北斗三号中轨导航卫星为例，给出了阳光和轨道面夹角随太阳黄经和升交点赤经的变化关系，以及最长阴影时间、滑行段旋转角速度约束条件的分析方法，在此基础上确定了上面级阶段卫星的极端外热流工况并给出了外热流计算结果。     

上面级在发射轨道的辐射外热流分析

研究发射轨道的外热流是进行火箭上面级和卫星热控设计的基础。文章给出了基于一组轨道和姿态参数的太阳矢量与地球矢量的计算方法。针对圆柱外形的上面级,分析了其发射轨道外热流的变化规律,利用该计算方法计算了太阳矢量,而太阳矢量在长时间滑行段相对固定,太阳矢量和受晒因子随发射时间而发生大幅度的变化,使得外热流工况变得非常复杂。通过对太阳定姿且绕箭体纵轴慢旋,可改善火箭上面级的飞行热环境,简化卫星和上面级的热控系统设计。     

基于偏心率和倾角矢量的共位隔离策略

在同一个标准的位置保持窗口内并置多颗卫星,并且避免相互之间的碰撞、干扰和遮蔽,是充分利用地球静止轨道资源的一种比较好的办法。针对我国卫星共位隔离的工程需要,文章提出了一种基于偏心率矢量和倾角矢量实现共位隔离的方法,给出了基于偏心率矢量和倾角矢量联合隔离的基本方法、约束方程,以及工程实现时的位置保持策略。通过仿真计算和工程实际应用,验证了该方法的正确性。     

皮卫星星箭分离动力学模拟及其灵敏度分析

皮卫星能源有限、姿控能力差等特点决定其对星箭分离初始姿态要求较高。在采用自主研发的皮卫星星箭分离机构的基础上,以多体动力学理论为基础,采用ADAMS软件建立了皮卫星及其星箭分离机构虚拟样机模型,分别就皮卫星质心偏离量、分离弹簧与舱门扭簧弹性系数对入轨初始姿态影响展开了分析。分析结果表明：质心偏心量对分离姿态影响最明显,分离弹簧与舱门扭簧弹性系数对其影响次之,合理配置分离弹簧与舱门扭簧弹性系数有利于卫星保持良好的姿态分离。在轨分离试验显示：分离时刻皮卫星滚动角速度、俯仰角速度、偏航角速度分别为-0.18（°）/s,-1.6（°）/s,0.95（°）/s,与在轨环境下仿真结果基本相符;入轨初始姿态能满足皮卫星的姿控要求,为其后续工作提供了保障。     

Post-disposal orbital evolution of satellites and upper stages used by the GPS and GLONASS navigation constellations: The long-term impact on the Medium Earth Orbit environment

The long-term evolution and environmental impact in MEO of all the abandoned spacecraft and upper stages associated with the GPS and GLONASS navigation constellations were analyzed. The orbits of the disposed objects, as of 1 May 2011, were propagated for 200 years and snapshots of their evolving distribution were obtained, together with an estimation of the changing collision probability with the spacecraft of the operational navigation systems existing or planned in MEO, i.e., GLONASS, GPS, Beidou and Galileo. The probability that the abandoned objects considered will collide with the operational spacecraft of the navigation constellations is very low, even taking into account the intrinsic eccentricity instability of the disposal orbits. Assuming the present or envisaged configuration of the constellations in MEO, the probability of collision, integrated over 200 years, would be <1/300 with a GLONASS spacecraft, <1/15,000 with a GPS or Beidou spacecraft, and <1/250,000 with a Galileo spacecraft. The worst disposal strategy consists in abandoning satellites and upper stages close to the altitude of the operational constellation (GLONASS), while a re-orbiting a few hundred km away (GPS) is able to guarantee an effective long-term dilution of the collision risk, irrespective of the eccentricity instability due to geopotential and luni-solar perturbations. The disposal strategies applied so far to the GPS satellites should be able to guarantee for at least a few centuries a sustainable MEO environment free of collisions among intact objects. Consequently, there would be no need to adopt disposal schemes targeting also the optimal value of the eccentricity vector. However, it should be pointed out that the GPS disposal strategy was devised well in advance of the Beidou constellation announcement, so most of the abandoned satellites were re-orbited fairly close to the altitude of the new Chinese system. A new re-orbiting approach will be therefore needed in the future.     

30kN上面级液氧甲烷发动机方案

上面级是介于运载火箭与航天器之间的相对独立的一级,具备轨道转移能力,可将有效载荷精确送入预定轨道.上面级是提高火箭运载能力和提升任务适应性的有效途径,上面级发动机是实现该目标的关键.长期在轨的高性能上面级,要求主动力具备比冲高、空间可长期贮存和高可靠性等能力.针对此技术需求,对比分析了上面级发动机的系统方案;设计了采用...     

Digital LQR control scheme to maintain the separation distance of the NASA benchmark tetrahedron constellation

In previous papers, the authors developed an active control scheme based on the linear quadratic regulator (LQR) to maintain the separation distance constraints of the NASA benchmark tetrahedron constellation. Two different active control schemes were used to maintain the separation distance constraints, but one control scheme applied to every eccentricity of the NASA benchmark problem. Through this paper, the digital LQR strategy will be developed with this active control scheme to maintain the separation distance conditions of the tetrahedron constellation. The motion of a pair of satellites in an elliptical orbit about the Earth is defined by the linearized Tschauner–Hempel (TH) equations. These equations will be defined discretely in the true anomaly angle for the development of the digital control scheme. In summary, the digital LQR approach will be implemented and studied to determine how this active control scheme maintains the separation distance constraints for different specific sizes of the NASA benchmark tetrahedron constellation.     

在轨跟踪与数据中继卫星测控关键技术(上)

根据卫星轨道根数，研究了跟踪与数据中继卫星（TDRS）对用户星的精确跟踪规律，并据此分析了TDRS对卫星平台姿态和天线运动范围的要求。介绍了TDRS测控中的关键技术，如螺旋扫描算法在TDRS搜索用户星时的应用、TDRS对近地卫星的覆盖率、TDRS跟踪多用户星的资源分配准则、星蚀和日凌计算，以及轨道位置保持控制策略等。相关控制策略的正确性已在我国地球同步轨道卫星的在轨测控应用中得到了证实，可用于未来TDRS的工程测控和业务应用。     

FY-2气象卫星在轨管理工程测控关键技术(上)

介绍了风云二号(FY—2)地球静止轨道自旋气象卫星工程测控的关键技术。分析了位置保持、姿态确定、星蚀和日凌的原理，给出了位置保持、姿态控制策略和地影、月影、日凌预报算法。并提出了一种检验定姿结果正确性的方法，提供了相应的工程计算参数。这些策略都已成功地用于FY—2卫星的在轨管理工程测控。     

一种确定自旋卫星姿态的新方法

提出了一种在自旋稳定卫星自旋轴与几何体轴重合或几乎重合时只利用太阳角计算自旋卫星姿态的方法。给出了方法的原理及适用范围。研究表明：定姿精度仅与太敏测量精度有关,减小了传统方法中太敏与地敏两项测量误差产生的误差,方法原理简单、精度高。由实际卫星数据的长期验证可知：方法能在卫星自旋轴与实际几何轴偏差较小时实现快速定姿,定姿结果满足要求。     

火星卫星的冻结轨道研究

冻结轨道是一种稳定的轨道,地球、火星、月球的卫星因引力场的南北不对称,都存在冻结轨道.由于主星体引力场的不同,它们卫星的冻结轨道也有不同的特性.地球卫星的冻结执道的偏心率非常小,对卫星遥感非常有利,国内外已有相当多的近地遥感卫星采用这种轨道.月球卫星的冻结轨道偏心率随轨道倾角的不同有很大的变化,对月球卫星冻结轨道的研究...