长期在轨运行卫星的轨道维持技术

本文研究近地轨道卫星长期在轨运行的轨道维持问题。轨道维持的任务是将卫星的星下点轨迹保持在设计的参考轨迹附近。近地轨道卫星所受的摄动力包括地球引力摄动、日月摄动、大气阻力摄动和光压摄动等,而影响卫星轨道星下点漂移的主要因素是大气阻力摄动。本文给出了一种新的卫星轨道维持策略,数学仿真表明了其有效性。     

摄动条件下椭圆轨道卫星相对运动研究

基于严格定义的相对轨道要素,考虑非球形引力、大气阻力和三体引力等摄动力的影响,用拟平均根数法添加相关摄动项,推导了椭圆轨道摄动条件下无奇点的卫星近距离相对运动模型。分析了考虑摄动力的影响时相对轨道要素的特性,并据此分析了各摄动力对卫星相对运动轨道预报精度的影响,比较了有无摄动的相对运动模型与精确解间的误差。算例验证了方法与结果的正确性和有效性。研究结果完善了相对轨道要素的基本理论,并将其适用范围拓展至摄动条件下的椭圆基准轨道卫星相对运动研究领域。     

高阶次月球重力场模型截断下的低轨环月卫星轨道受摄分析

研究低轨月球卫星在月球非球形摄动和地球第三体引力摄动作用下轨道高度变化问题.首先依据Kaula准则比较分析目前国际上公认的最精确的两个重力场模型GLGM-2和LP165P,提出了在一定阶次截断重力场模型的问题,然后通过仿真不同阶次重力场模型作用下轨道高度为50km的圆形极轨道环月卫星轨道特征的变化,验证了 50km以上高度卫星非球形摄动分析时可以将重力场模型截断至一定阶次的结论,并利用截断至70阶次的重力场模型仿真得到了50km和200km圆轨道卫星无控条件下正常运行的时间.最后在仿真地球引力对200km圆轨道卫星高度影响的基础E仿真其在月球非球形和地球引力摄动作用下轨道要素变化,对低轨环月卫星轨道保持控制提供依据.     

动力学补偿受控卫星轨道确定算法(英文)

受控卫星动力学模型中推力加速度的量级远远高于其他摄动的误差量级,观测量主要反映受控卫星动力学模型的误差。本文以跟踪和精确定位空间机动目标为目的,给出基于地面雷达观测,实时估计推力加速度,修正卫星动力学模型的轨道确定算法。通过建立连续推力控制过程变质量动力学模型,给出常推力变加速度满足的运动学微分方程; 建立变加速度估计系统状态方程,和扩展卡尔曼滤波轨道确定算法; 并给出连续推力控制卫星运动状态关于推力加速度的变分运动方程; 实际飞行控制应用表明: 利用地面测量数据,实时估计推力加速度并补偿系统动力学模型,解决了连续受控卫星轨道精确确定问题。     

J2摄动作用下近地轨道卫星编队构形长期演化机理分析

研究近地轨道卫星编队构形在引力摄动作用下的长期演化机理。把用转移矩阵法得出的相对运动分析解表达成一般轨道根数形式，为研究摄动影响而进一步表达成无奇点轨道根数形式；根据各轨道根数的J2摄动解分别研究编队构形在轨道坐标系三个方向上的振幅与相位的长期变化情况，揭示了构形引力摄动的长期演化机理；给出编队构形的摄动表达式，并以仿真实例验证其可信性；最后给出构形长期引力摄动的相关结论，并对编队构形设计提出建议，这将为研究编队构形的规划技术带来方便。     

空间摄动对InSAR卫星编队的影响研究

针对干涉合成孔径雷达(InSAR)编队卫星的特点,分析了地球形状、大气阻力、第三体引力和太阳光压等空间摄动力对卫星轨道的影响,并仿真讨论其对编队构型的影响。结果表明:地球形状摄动和大气阻力摄动是引起InSAR编队构型变化的主要摄动因素,在这些摄动力的作用下,编队构型的变化主要是沿航迹向的累积变化和编队椭圆的空间指向变化两种,并给出了编队构型随时间的变化量。研究为编队保持控制提供了参考。     

太阳同步轨道立方星任务轨道演化分析

立方星是近年来微小卫星领域的研究热点,文章以太阳同步轨道(SSO)立方星任务为例,研究地球非球形引力项J2和大气阻力对立方星轨道演化的影响。分别研究了轨道高度、太阳活动指数F10.7和大气模型对SSO立方星轨道演化的影响,进行了数值仿真验证。研究表明:大气阻力摄动对SSO立方星轨道寿命影响很大,影响结果与轨道高度之间存在非线性关系;太阳活动高、低年时的轨道演化差异明显,且演化量随F10.7的变化是非线性的;不同大气模型下的轨道演化情况存在差异,大多数模型所对应的轨道演化量的量级基本一致。上述影响分析对SSO立方星任务轨道的选定及轨道控制具有一定的参考价值。     

小推力地球卫星圆轨道同轨调相设计方法研究

在研究小推力地球卫星圆轨道同轨调相任务设计问题的基础上,提出了一种半解析调相参数分析方法,并据此发展了一种高效的精确设计方法.首先,根据推力方向对卫星相位角的影响规律,采用推力方向假设和轨道平均技术推导了调相轨道参数满足的函数关系,通过微分修正可快速获得调相轨道的关键参数;然后,基于摄动轨道动力学模型,通过对控制量进行离散化建立了复杂约束条件下的燃料最省调相轨道设计模型,并以初始分析结果为初值,采用序列二次规划算法进行求解;最后,以地球同步轨道调相任务为例对所提方法进行了数值验证.数值仿真结果表明:提出的初始分析方法可为调相轨道设计提供合理的初值猜测,发展的鲁棒设计方法可有效用于摄动模型复杂约束下的小推力调相轨道设计.     

第三体引力摄动的近地轨道卫星相对运动方程

针对受第三体引力摄动的近地轨道卫星,推导了基于参考卫星轨道要素RSV的卫星运动方程、以及卫星的相对运动方程。两组方程均以显式给出,形式简洁且较为精确。基于这两组方程,本文还定性地分析了第三体摄动对卫星（相对）运动的影响。     

分布式卫星轨道构形的大气摄动分析及修正方法

在低轨道运行的分布式卫星受大气摄动的影响,其轨道构形很快遭到破坏,环绕卫星的相对运动轨迹中心不断发生漂移。本研究的目的在于建立一种降低大气摄动对分布式卫星轨道构形影响的补偿方法,以使分布式卫星的轨道构形能够更好地自然维持。研究基于考虑高度变化和太阳周日变化的大气密度模型,得出分布式卫星不同初始相位环绕卫星的长半轴摄动方程。并提出一种补偿大气摄动影响的长半轴修正方法。仿真结果显示,采用此大气摄动补偿方法能够在给定时间内大大降低大气摄动的影响,从而显著提高分布式卫星轨道构形的自然维持能力。     

地球轨道卫星电推进变轨控制方法

针对地球同步轨道（GEO）卫星,采用电推进系统完成转移轨道变轨。采用基于Lyapunov函数的反馈控制方法确定时间最短变轨策略。首先在开普勒模型下研究变轨过程,然后在开普勒模型的基础上考虑地球J2项摄动和地球阴影,最后在全引力模型下研究变轨过程,即在开普勒模型的基础上考虑地球非球形引力摄动、日月第三体引力摄动、太阳光压摄动和地球阴影。仿真结果显示在变轨过程中摄动项不可忽略,除地球J2项摄动外还应该考虑日月第三体引力摄动和太阳光压摄动。对比上述三组仿真结果,发现考虑摄动后轨道转移时间的增加比燃料消耗的增加更为明显。数值仿真结果表明本文研究对未来的全电推进任务具有良好的通用性和应用参考价值。     

高精度重力场下回归轨道半解析优化设计

为解决太阳同步回归轨道的标称设计问题,提出一种基于高精度重力场的半解析优化方法。建立地球非球形引力摄动阶数为J15 的高精度重力场解析模型,并分离出引力摄动的长期项和长周期项。构建回归轨道从半长轴到平交点周期的对应关系,平交点周期变化随引力摄动阶数的提高而逐渐收敛。通过微分修正迭代算法所确定的半长轴相对于传统J2摄动模型的半长轴确定值具有更高的精度和更好的稳定性。考察摄动短周期项影响下的密切交点周期,结果表明其受初始位置(平近点角)影响较大,变化范围为0.015s,并由此给出精确回归轨道优化设计的基准：不同的初始位置上满足星下点轨迹严格回归的半长轴期望值。     

带有控制增益自校正的甚低轨道卫星自主轨道维持方法

为实现甚低轨道的长期稳定运行,分析了甚低轨道的摄动特性,设计了一种带有轨控增益校正的自主轨道维持方法。该方法可通过前一次轨控的结果对轨控增益进行校正,提高轨控算法对卫星质量、推力大小等不确定因素的鲁棒性,逐渐提高轨道控制的精度。对轨道控制的频率、每次轨控的时间长度及对偏心率的影响进行了分析,仿真结果表明:自主轨道维持方法能实现甚低轨道高度维持控制,在参数不确定的情况下,与传统算法相比可大幅提高轨道控制的精度,确保平均偏心率矢量收敛,满足甚低轨道卫星的长寿命要求。所设计的算法结构简单,运算量小,可由目前的星载计算机实现。     

对GEO卫星照相的HEO卫星变轨策略研究

为对地球同步轨道卫星近距离光学照相,设计了大椭圆任务轨道.在考虑地球扁率J2的动力学模型下,研究了大椭圆轨道变轨策略,提出了轨道设计方案,并进行了仿真计算.基于STK软件对变轨方案进行了仿真验证,结果表明所提出的轨道设计方案能够满足对地球同步轨道卫星近距离光学照相要求.     

基于零J_2摄动条件的近圆轨道编队保持双脉冲最优控制方法研究

重点研究了考虑J2摄动作用的近圆轨道编队构形保持双脉冲最优控制策略.利用轨道要素法建立了考虑J2摄动作用影响的相对运动方程,推导了消除相对摄动影响长期项的零J2摄动条件,并利用该条件对C-W方程得到的编队初始条件进行了修正,得到了对J2摄动不太敏感的相对轨道.然后,基于C-W方程建立了编队保持双冲量最优控制模型,并利用非线性规划方法得到了编队保持所需的最优控制脉冲.仿真结果表明,J2项摄动对相对运动的破坏作用明显减小,提出的双脉冲最优控制方法能够有效实现编队保持的高精度控制.     

倾角偏置太阳同步轨道的地面轨迹保持方法

为在倾角偏置条件下保持太阳同步轨道卫星的地面轨迹,在考虑地球扁率摄动、大气阻力摄动和太阳引力谐振等主要影响因素,以及卫星地面轨迹允许漂移范围的基础上,采用主动超调与被动控制结合的策略,提出了一种初始半长轴偏置后的卫星地面轨迹保持方法。分析了半长轴和倾角摄动变化率,以及初始半长轴和倾角偏置量对地面轨迹漂移的影响。仿真结果表明,该法可基本满足设计阶段的精度要求。     

低轨卫星编队飞行的地面覆盖及轨道调整

通过施加冲量的方法消除J2项摄动和大气阻力摄动对编队飞行的影响,在编队的相对构型和整体绝对位置得到控制后,研究了低轨卫星编队飞行的地面覆盖问题,最后通过算例给出了卫星编队在南北纬86°之间全球覆盖所需的时间、周期、圈数和覆盖角。计算结果表明,对于偏心率较小的低轨编队飞行,根据本文所推导公式计算出的结果是比较可靠的。