在轨服务的超近距离姿轨联合控制研究

对面向在轨服务的超近距离姿态轨道联合控制设计进行了研究。建立基于相对四元数的相对姿态运动动力学模型和基于相对运动轨迹设计的相对轨道动力学模型,考虑模型中姿态与轨道耦合,设计四元数反馈非线性控制律和具姿态反馈信息的最优实时闭环反馈控制律。数学仿真和半物理仿真试验结果验证了算法的有效性和可行性。     

光学卫星等比降地速的地影区主动推扫姿态规划

针对光学推扫卫星在地影区进行夜间推扫成像时,卫星相机成像区域地速过快导致传感器积分时间不足而难以获取高质量夜间影像的情况,设计了一种卫星等比降地速主动推扫的姿态规划方法。首先,根据卫星推扫成像任务的机动时间、成像起始时刻与降速比例等参数计算出卫星等比降地速成像时的等效轨道初始位置;其次,根据卫星等效轨道初始位置与卫星侧摆角,通过轨道递推计算出卫星光轴实时指向的地面目标点坐标;然后,根据卫星实际的轨道位置与姿态解算出卫星指向地面目标点的实时期望姿态;最后,基于吉林一号高分04A卫星的参数对所设计方法进行数值仿真与在轨试验,结果表明了所提出的方法具有可行性与有效性。     

地球同步自旋稳定卫星姿态的精确估计

本文根据文献的估计方法和文献关于星上V型窄缝式太阳敏感器、射束式红外地球敏感器和两者组合的姿态测量模型,给出了一种在系统误差和随机误差联合作用下能精确估计卫星姿态的估计器模型。仿真结果证明,在转移轨道上,在几组系统误差参数和随机噪声作用下,用1000组观测数据即可实时精确估计卫星姿态,赤经误差0.1°,赤纬误差小于0.5°。     

单太阳翼放气干扰力矩分析

针对静止轨道单太阳翼卫星在转移轨道段,太阳翼展开对日定向稳定控制过程中,太阳翼结构的初期放气干扰力矩对姿态影响的问题,利用卫星姿态动力学模型、姿态变化和推力器等参数,估计太阳翼放气产生的干扰力矩。通过理论仿真,验证了估计方法的正确性。以风云四号(FY-4)卫星为例,在轨实时估计结果表明:FY-4卫星太阳翼放气持续时间近11个小时,初期最大干扰力矩达37mN·m,比光压力矩约大2个量级,其对姿态影响不可忽视。文章的研究结果可为地面控制系统设计和在轨控制参数修改提供数据参考。     

GPS实时定轨误差对姿态确定的影响分析

对GPS实时定轨误差对卫星姿态确定的影响进行了分析。因用位置、速度确定的坐标转换矩阵无法直接给出姿态角确定误差的解析表达,基于近圆、近极轨轨道假设,根据位置、速度和开普勒轨道六要素间的转换关系,给出了小姿态角偏差条件下转换矩阵的全微分形式,进而给出了各姿态角关于各轴分量的偏导数形式,在分别分析位置和测速误差对姿态角影响的基础上,给出了综合的姿态角确定误差,推导了姿态确定误差的解析表达式。研究发现:速度矢量主要引起偏航角的误差,对俯仰和滚动方向几乎无影响;位置矢量主要引起俯仰和滚动轴的姿态角误差,对偏航角方向几乎无影响。仿真结果验证了分析的正确性,并发现GPS定轨误差引起的姿态角确定误差小于0.001°,基本可忽略。     

考虑姿轨耦合的航天器高精度实时导航定轨方法

针对近地轨道航天器及其全球导航卫星系统(GNSS)测量数据驱动的实时导航定轨方法,使用轨道动力学原理解析了由GNSS天线安装位置与航天器质心偏差造成的定轨误差。基于航天器在轨的刚体运动特性和对地姿态特征,提出针对安装关系对应的相对速度修正项。使用姿轨耦合的分析方法,明确了基于航天器质心轨道积分和天线测量点位速修正的GNSS测量信息模拟。结合扩展卡尔曼滤波(EKF)形式的实时导航算法,分析了安装关系造成的定轨系统误差。围绕半长轴确定误差的长期变化规律,仿真证明了GNSS测量数据的位速修正在高精度实时导航定轨过程中的必要性。     

基于磁强计和红外地平仪的卫星轨道姿态一体化确定方法

针对近地微小卫星,突破轨道姿态确定分而治之的传统模式,根据耦合的卫星轨道姿态动力学方程,提出了基于磁强计和红外地平仪的轨道和姿态同时确定方法.敏感器的测量值既跟轨道有关,又跟姿态有关,充分利用测量值中的轨道和姿态信息,推导了轨道姿态一体化确定的扩展卡尔曼滤波算法.利用非线性系统局部可观测性理论对系统进行了可观测性分析,给出了不同参数对局部可观测性的影响,并对不同观测量情况下的可观测性进行了比较.最后对该算法进行了数学仿真,结果表明,该算法的可行性和有效性.     

低轨小椭圆轨道S频段SAR卫星姿态导引方法研究

国内外针对S频段SAR卫星姿态导引研究较少,在考虑轨道偏心率和系统天线指向误差情况下尚无明确的导引策略。基于合成孔径雷达（SAR）成像模型及椭圆轨道动力学理论,引入椭圆轨道的径向速度和法向速度分量,推导得到了椭圆轨道任意位置上多普勒中心频率的新的数学表达及分量分解。提出了面向低轨小偏心率轨道S频段合成孔径雷达（SAR）卫星的偏航导引、二维姿态导引方法以及采取不同轨道模型时的简化实现,分析得到了不同补偿方法的补偿效果以及天线指向精度对补偿效果的影响。根据仿真结果,结合卫星工程实现和地面成像处理难度,提出了以偏航导引为主,二维导引为辅的姿态导引策略,对低轨小椭圆轨道S频段SAR卫星姿态导引设计具有指导意义。     

柔性太阳帆轨道-姿态-弹性振动耦合效应研究

建立了柔性太阳帆轨道、姿态、弹性振动耦合的动力学降阶模型。分析该模型在地心大偏心率椭圆轨道的动力学表明:太阳光压力是太阳帆轨道产生偏差的主要原因,且太阳光压力会引起太阳帆姿态的剧烈变化和柔性结构的大幅振动,同时太阳帆的结构振动会对其姿态造成累积偏差。研究发现,太阳帆在空间的运行是一个轨道、姿态、弹性振动三方面强烈耦合的复杂问题。     

接近和跟踪非合作机动目标的非线性最优控制

航天器在实施对空间非合作目标的近程操作任务中,需要接近目标并保持在目标附近的特定方位,对目标指定部位随动跟踪和观测。针对非合作机动目标的接近和视线跟踪的六自由度控制问题,根据视线坐标系下的相对轨道方程和体坐标系下的相对误差四元数姿态方程,建立了航天器间近距离相对运动的轨道和姿态联合控制模型。考虑模型的非线性、时变性和计算的快速性,采用θ-D控制方法进行接近和视线跟踪的轨道和姿态联合控制。为了减小跟踪同时存在轨道和姿态机动的非合作目标的控制误差,应用Lyapunov最小-最大定理设计了θ-D修正控制器,改善非合作目标同时进行姿态和轨道机动时的控制性能。仿真验证了模型的正确性和控制器良好的跟踪性能。     

基于紫外敏感器的卫星自主导航方法研究

研究了卫星利用CCD紫外敏感器进行自主轨道确定的方法。敏感器通过地球紫外图像提供地心方向矢量及姿态误差信息进而确定卫星轨道。采用Unscented卡尔曼滤波算法,对紫外敏感器测量精度、姿态误差、部分轨道参数以及地球模型对导航精度的影响进行了仿真验证。仿真结果表明本方法具有较高的定轨精度,其导航误差主要取决于紫外敏感器测量精度和卫星姿态误差。     

基于地磁场测量估计卫星姿态的UKF算法

提出了利用UKF（Unscented Kalman Filter）处理地磁场测量数据进行低轨道（LEO）卫星自主定姿的算法。通过使用估计姿态、轨道参数和国际地磁场参考（IGRF）计算得到的地磁矢量与三轴磁强计（TAM）的测量矢量之差作为更新信息，可以实现实时的姿态角和角速度估计。针对卫星稳态定姿、大角度快速机动的定姿以及姿态失控状态下的定姿等三种任务，分别用UKF和传统的EKF（Extended Kalman Filter）进行了数值仿真。仿真结果显示出本文提出的定姿算法的优越性。     

月球卫星的自主轨道确定

分别利用紫外三轴姿态敏感器测出的月心方向和测距仪测出的月心距作为观测量,采用推广卡尔曼滤波方法实时确定出月球卫星环月期间的轨道,考虑到月球卫星在环月期间太阳对月球光照条件的限制,提出分段虑波策略,并给出了仿真分析.     

荧火一号火星探测器姿控平台验证演示技术

设计了一种基于STK轨道动力学的萤火一号(YH-1)火星探测器姿控仿真平台.介绍了平台的组成和信息交互、STK场景建模及接口设计.平台结合火星环境和探测器轨道特点,利用STK轨道计算功能,实时输出探测器环火轨道参数至动力学计算机,并接收动力学软件产生的探测器姿态信息,以此为基础进行姿控分系统半物理仿真试验及整器闭环试验,在STK动态场景中对探测器各姿控模式进行验证及演示.     

微小卫星轨道姿态一体化确定算法研究

突破卫星轨道和姿态参数分别确定的传统模式,提出了以三轴磁强计和太阳敏感器为测量元件的轨道姿态一体化确定算法.由于地磁场是时间和位置的函数,而三轴磁强计指向又与卫星姿态相关,所以三轴磁强计的测量值既与轨道有关,又与姿态有关.充分利用磁强计和太阳敏感器的测量值中包含的轨道和姿态信息,推导出卫星轨道姿态一体化确定的扩展卡尔曼滤波算法.在太阳不可见区域,由于太阳敏感器没有输出信息,只采用磁强计为测量敏感器,按传统模式对卫星轨道和姿态分别确定.最后对2种模式下的滤波算法进行数学仿真验证,结果表明该算法的可行性与有效性.     

在轨实时引导多星成像任务规划方法研究

针对遥感卫星在轨自主任务规划的强时效需求和依赖地面系统的现状,通过分析卫星的轨道特性和多载荷工作配合的方式,提出了一种面向在轨实时引导成像的多星自主任务规划方法。文章首先根据成像的要求,将卫星载荷对目标的可见性,统一转化为"时间-姿态"信息,在保留有效信息的前提下对轨道递推模型合理简化,设计了卫星成像的无冲突任务序列生成方法,并为优化成像收益设计了临机调整策略。仿真结果表明:面向在轨实时引导成像的多星自主任务规划方法能实现将多目标向多星系统的分配,增加临机调整策略后,可实时地通过用高收益目标替代低收益目标的方式提高整个规划方案的成像收益,所提出的方法有效,研究结果可为多星在轨自主任务规划技术研究提供参考。     

太阳敏感器/陀螺定姿算法研究

针对近地航天器故障模式或深空探测模式,研究了仅利用太阳敏感器和陀螺进行航天器定姿的方法.给出了姿态确定滤波模型,分析了影响定姿精度的主要因素,讨论了轨道日照角对定姿精度的影响.研究结果表明:该组合可实现航天器故障模式或深空探测模式中的低精度姿态确定;轨道日照角对定姿精度影响较大,有效的轨道日照角是确保太阳敏感器/陀螺姿态确定方法可行的关键.     

一种基于Madgwick-EKF融合算法的卫星姿态测量方法

针对低地球轨道卫星姿态测量时,传感器易受噪声干扰、陀螺仪漂移等问题,提出一种基于Madgwick扩展卡尔曼滤波合算法(EKF)的卫星姿态测量方法。该方法采用陀螺仪、加速度计、磁强计等多传感器数据进行融合,并结合Madgwick算法和EKF算法的优点,实现姿态测量。首先,通过Madgwick算法,利用多个传感器测量数据计算初始姿态。然后,基于初始姿态和实际测量数据,应用EKF算法进行数据融合和噪声滤除,以获得最终准确的姿态估计。实验结果表明:相较Madgwick算法,本算法在测量精度上提升了65.8%,且具有较高的鲁棒性,为低地球轨道卫星姿态测量提供了一种有效的方案。     

利用轨道瞬时根数预报的离轨制动控制方法

针对再入飞行器离轨制动问题,在考虑地球引力J2项摄动及有限推力影响下,设计了一种航天器自主离轨制动控制算法。该算法根据再入点状态约束,确定了离轨过渡轨道的平均轨道根数及其与离轨待命轨道平均轨道根数的关系,从而得到制动参数初值。通过在线数值递推轨迹,实时预报再入点瞬时轨道根数并计算再入点航迹倾角,当预报的航迹倾角满足约束条件时结束制动,并根据再入点纬度幅角误差修正制动起始点,从而修正制动参数。制动过程中,在考虑了J2项摄动影响下实时预报再入点瞬时轨道根数,依据实际任务需求确定关机时机。最后通过考虑初始状态误差、质量误差、推力误差以及姿态误差情况下的蒙特卡洛打靶仿真,分析了不同关机策略的落点散布特性,检验了该算法的自主决策和高精度再入点控制能力。     

卫星地球-射频敏感器组合定姿滤波算法研究

基于卡尔曼滤波理论以及卫星定姿技术的发现状况，对卡尔曼滤波在静止轨道三轴稳定卫星红外地球敏感器和射频敏感器组合定姿中的应用作了一定的研究。建立了静止轨道三稳定卫星姿态动力学模型和红外－射频敏感器组合定姿的姿态量测模型，针对这一模型，应用推广的卡尔曼滤波进行姿态估计，并进行了计算机仿真，验证了滤波方法应用于静止轨道三轴稳定卫星红外地球敏感哭和射频敏感器组合定姿的有效性和优越性。