重力梯度力矩作用下近地卫星自旋运动规律分析

为研究近地卫星自旋运动规律,建立了近地卫星在受摄动影响的轨道上运行并受重力梯度力矩作用下的姿态运动模型,推导了自旋角速率满足一定条件下自旋运动的进动角、章动角、自旋角的解析解,对重力梯度作用下的自旋姿态运动规律进行了仿真分析,并用仿真计算结果验证了解析解的正确性。在轨道面缓慢进动情况下,当卫星绕最大主惯量轴自旋时,给出了自旋角速率取值范围表达式,在该取值范围内卫星自旋运动能够跟随轨道面一起进动,自旋轴以恒定的平均角速率进动,章动角在小范围内波动。建立的自旋姿态运动模型和分析结论可用于近地卫星姿态失控后的姿态确定和预测、在轨姿态设计及在轨备份等。     

三轴气浮台自动调节平衡和干扰力矩测试

三轴气浮台是在地面模拟卫星姿态运动的支撑平台. 为有效进行卫星地面模拟仿真, 模拟卫星在外层空间的小干扰力矩力学环境, 首先分析气浮台扰动力矩, 针对重心相对于回转中心存在漂移时产生静态不平衡, 及主惯性轴相对于回转轴存在漂移时会产生动态不平衡的问题, 采用先手动平衡再自动平衡的方法, 调节气浮台平衡; 然后给出三自由度气浮台自动平衡动力学方程, 在平衡调整基础上, 用有效的测试手段测试气浮台的台体水平度、静不平衡力矩、干扰力矩等, 为小卫星姿态控制系统的仿真提供一个有效的、精确的实验平台.      

地球静止轨道卫星扫描镜运动补偿

研究地球静止轨道卫星的扫描镜运动补偿问题,以消除卫星姿态偏差和扫描镜法线偏移引起的光轴指向偏差.给出了带有两自由度扫描镜的航天器姿态动力学方程以及光轴指向误差的描述.以欧拉角描述卫星姿态,以欧拉轴/角参数来描述扫描镜法线偏移,并推导了这2种影响因素对光轴指向的误差传递关系.针对法线偏移不易测量的特点,利用扫描镜在特定工作模式下的准确定向能力和法线偏移的长周期特性,给出了一种偏移参数的估计算法,每隔一定的时间段对法线偏移估计值进行更新.在此基础上给出了一种基于卫星姿态和法线偏移信息的运动补偿算法,对扫描镜的扫描角和步进角分别进行补偿.数值仿真结果验证了补偿算法的有效性.      

快响SAR卫星零多普勒波束中心姿态机动策略研究

传统偏航牵引方法采用惯性系下卫星轨道6要素推导得出姿态机动参数,在此方法中仅控制卫星主轴方向多普勒频率为0Hz,无法补偿SAR天线安装偏差和波束在天线内的方位距离向离轴角引起的斜距偏差和多普勒频率偏移,不能满足SAR系统时序设计需求和快响SAR卫星在轨实时处理器性能要求。因此,提出了地心固定坐标系中SAR天线波束指向零多普勒面内目标方向的姿态机动策略,使快响SAR卫星在轨实际波束中心多普勒频率为0Hz。该策略首先计算了基于场景目标的SAR总体设计的精确时序参数和观测参数,然后在地心固定坐标系中建立了波束中心多普勒频率为0Hz的SAR天线波束三轴指向模型,推导得出卫星三轴指向和姿态机动参数,并通过Matlab对该策略进行了仿真验证。结果表明,该策略可将多普勒频率由地球自转引起的29kHz、天线与卫星安装偏差引起的360Hz和波束方位向离轴角引起的3950Hz补偿至0Hz,同时将由天线与卫星安装偏差和波束距离向离轴角综合引起的波束中心偏离目标的斜距偏差6.28km补偿至米的量级。     

星上运动部件对气象卫星姿态影响的研究

以中国下一代静止轨道气象卫星为对象,分析了有效载荷扫描镜运动和太阳翼步进运动对卫星姿态的影响。结果表明,有效载荷的正常扫描运动和太阳翼的步进运动对卫星姿态的影响很小,但有效载荷的黑体校准运动对卫星姿态的影响很大,必须进行补偿控制,否则卫星有效载荷扫描镜的指向精度无法满足设计要求。     

太阳X-EUV成像望远镜的移动补偿系统

卫星帆板转动和自身颤动会导致太阳X射线-极紫外射线(X-EUV)成像望远镜的成像质量下降.用移动补偿系统控制相机的CCD驱动器,使势阱转移到相邻相的位置上,转移的方向正好与图像在传感器上移动方向一致,使得图像的每个光子在移动后仍然落入传感器的同一个势阱内,补偿由于帆板移动造成的图像偏移.CCD相移沿列的方向进行,而CCD的列平行于东西向.高精度太阳敏感器使用两轴直角坐标来定位太阳的位置.移动补偿系统只使用其中一个轴向数据,由于南北指向误差远远小于东西指向,因此不对南北指向补偿.该移动补偿系统利用高精度太阳敏感器构成半闭环控制系统,通过偏移CCD势阱来实现一个方向上的移动补偿.该方案可以在不增加成本的前提下,消除长时间曝光过程中的太阳的平移和帆板颤动对图像质量造成的影响,扩大动态观测范围.      

空间绳系拖拽系统摆动特性与平稳控制

考虑了任务星与废星的姿态运动以及系统组合体的面内外姿态运动,建立了绳系拖拽离轨系统动力学与控制模型,以切向常值推力下绳系拖拽轨道转移为任务过程,分析了任务星在喷气和零动量轮的限制姿态反馈控制条件下飞行时,废星姿态摆动、系统组合体面内外摆动和任务星姿态运动的规律及相互影响关系。采用留位和阻尼控制相结合的系绳张力复合控制方法,并结合任务星姿态控制,确保绳系拖拽转移安全平稳进行。仿真结果表明:常值推力下绳系拖拽轨道转移时,牵挂点偏置诱发的废星姿态周期性摆动会激发绳系组合体的面内外同频率高阶摆动,星体姿态运动是任务星姿态扰动力矩产生的主要因素;采用张力复合控制可有效消除废星姿态摆动并保持星间相对距离,结合任务星姿态控制,可实现离轨过程的平稳与安全,大幅减少任务星的姿控能耗。      

Decentralized differential drag based control of nanosatellites swarm spatial distribution using magnetorquers

Nanosatellites in the swarm initially move along arbitrary unbounded relative trajectories according to the launch initial conditions. Control algorithms developed in the paper are aimed to achieve the required spatial distribution of satellites in the along-track direction. The paper considers a swarm of 3U CubeSats in LEO, their form-factor is suitable for the aerodynamic control since the ratio of the satellite maximum to minimum cross-section areas is 3. Each satellite is provided with the information about the relative motion of neighboring satellites inside a specified communication area. The paper develops the corresponding decentralized control algorithms using the differential drag force. The required attitude control for each satellite is implemented by the active magnetic attitude control system. A set of decentralized control strategies is proposed taking into account the communicational constraints. The performance of these strategies is studied numerically. The swarm separation effect is demonstrated and investigated.     

全方向长期伴飞卫星集群轨道设计与仿真

主要研究在J2摄动的影响下,在中心卫星周围全方向上部署长期相对有界伴飞卫星的轨道设计方法。首先,利用J2不变的条件,由已知中心卫星轨道根数建立伴飞卫星的半长轴、偏心率及轨道倾角之间关系。然后,通过对伴飞卫星和中心卫星之间初始相对位置及轨道根数之间关系的分析,得到伴飞卫星的全部初始轨道根数,使其能够部署到中心卫星周围的任意方向上,从而能实现卫星集群在中心卫星的周围全方向长期有界伴飞。最后,通过轨道仿真验证了该方法的有效性。     

基于极点配置的空间站角动量管理

针对惯性系下引力梯度力矩及其他干扰力矩引起控制力矩陀螺（CMG）角动量积累的问题,采用引力梯度力矩来平衡姿态,设计了基于极点配置的空间站角动量管理控制器。首先在惯性系下建立了空间站线性化模型,并分析了俯仰轴方向在惯性系角动量管理的不可行性。由此,将俯仰轴与滚动/偏航轴解耦,不约束俯仰轴方向的CMG角动量,将常值、1倍和2倍于轨道频率的扰动纳入状态方程以抑制其对俯仰轴姿态的影响。在滚动/偏航轴方向将常值扰动纳入状态方程中以抑制其对CMG角动量的影响;将1倍、2倍于轨道频率的扰动纳入到状态方程中以抑制其对姿态的影响。然后采用带极点配置的线性二次型（LQR）算法求解出反馈增益矩阵,该算法可以避免选取权重矩阵,并且根据系统性能要求即能将闭环极点配置到复平面虚轴左侧指定的区域。最后仿真结果验证了该算法的可行性。      

卫星光轴复合指向控制方法研究

卫星平台搭载光学载荷对空间运动目标进行跟踪指向技术已经成为卫星发展的重点,为了提升卫星光轴的指向范围、跟踪精度和机动性,仅依靠卫星的姿态调整已无法提升卫星光轴的性能.通过对由卫星姿态、星载光电转台和快反镜组成的卫星复合光轴指向系统的分析,需三者协同工作,输出有效叠加,才能有效提升卫星光轴的指向范围、跟踪精度和机动性.对...     

微纳卫星共面伴飞相对运动椭圆短半轴最省燃料控制

针对伴随微纳卫星资源受限、轨控需要尽可能节省燃料的现实问题,基于希尔（Hill）方程,研究推导了共面编队伴飞卫星的轨控时机和轨控方向对相对运动椭圆短半轴控制效率的影响。理论推导和仿真均表明：当控制量大小｜ΔV｜与相对运动椭圆短半轴b满足｜ΔV｜≤nb/2关系时（n为参考星平均轨道角速度）,在相对运动椭圆上下点进行横向或反横向控制,最大效率地将相对运动椭圆短半轴改变了｜Δb｜=2｜ΔV｜/n。其中,在上点反横向或下点横向进行控制,可以最大效率地增大椭圆短半轴;在上点横向或下点反横向进行控制,可以最大效率地减小椭圆短半轴。     

空间微重力组合体及其控制

空间微重力组合体是绳系卫星系统的升级版,有更强大的功能和应用前景。可是在无控状态下,新旧两款系统的留位（系绳伸出长度不变）和回收（系绳回卷收缩）运动都不稳定,必须置入有效的控制算法才能使其稳定运行。从绳系卫星的简化动力学模型入手,抓住微重力和动态运动中的惯性力相互关系,推导出基础型和扩展型的距离速率控制算法,简明有效地抑制这些系统的不稳定运动和改进空间组合体在轨交会对接控制技术。该算法也可应用于有分布质量和弹性变形的连续系绳的动力学模型以及其他更复杂的绳系卫星（家族）系统的控制中。     

卫星导航用户机空时滤波抗干扰技术

卫星导航用户机在多个干扰源(包括宽带和窄带)或导航信号和干扰信号空间角谱接近的情 况下,系统定位精度降低甚至无法满足定位要求.为此提出具有方向约束条件的改进联合空 时处理算法,将干扰源来向检测和获取的导航卫星信息作为条件约束判据引入联合空时滤波 处理算法,在抑制干扰信号的同时使靠近干扰源来向的卫星信号正常接收.仿真表明,在有 限阵元规模情况下,保证干扰信号的高抑制度(大于40 dB),并提高干扰抑制自由度,最 重要的是当导航卫星信号与干扰信号的空间角谱接近时(10°左右),在部分区域内有效抑 制干扰的同时接收机仍然能够正常工作.该算法在一定程度上提高区域导航卫星系统在复杂 电子环境下的抗干扰能力.      

一种空间目标高精度指向控制方法

针对空间动目标指向任务对卫星提出的高精度控制需求,研究了卫星星体/快反镜二级复合系统的指向控制问题,给出了一种空间运动目标高精度指向控制方法。首先,基于近圆轨道Clohessy Wiltshire方程获得追踪卫星与目标卫星的位置信息;然后,基于扩展Kalman滤波算法进行多信息融合确定追踪卫星姿态参数,并实时解算出追踪卫星载荷光轴与目标卫星的相对姿态,获得跟踪指向所需的方位角和俯仰角;最后,通过星体一级姿态控制和基于快反镜的载荷光轴二级指向控制,实现对目标卫星的快速、高精度指向。仿真结果表明,该方法可以在保证快速性的同时实现动态指向控制误差小于072″。该方法可以实现对空间目标的高精度指向控制,为未来空间中激光通信等航天任务提供技术支持。     

卫星转动惯量测量方法

介绍了用扭摆,通过倾斜安装测量卫星三个方向转动惯量的一种方法。分析了IYY测量准确度和测量倾斜角大小、IYY/IXX的比值、倾斜角误差之间的关系。当倾斜角度θ〉45°时,IYY能够达到较高的测量准确度。     

严格回归轨道的管道导航方法研究

分析了作为参考轨道的严格回归轨道与卫星在轨运行状态的相对运动关系,提出近地遥感卫星的管道导航方法。由于参考轨道的设计只考虑高精度的地球非球形摄动,与在轨卫星的动力学环境存在差别,这导致两者之间存在切航向漂移。基于高精度的轨道动力学模型和位置确定方法,设计了卫星与参考轨道采样点的沿航向对齐算法,从而获取了卫星相对参考轨道采样点的相位时间偏差和卫星在参考轨道编队坐标系切航向平面内的相对运动轨迹,进而引入椭圆的“最小二乘适配法”获取相对运动轨迹的特征量。所研究的管道导航方法可应用于基于GNSS测量数据的卫星自主轨迹保持。     

星间洛仑兹力编队飞行的平衡点及零速度曲面

提出了一种新的利用星间洛仑兹力控制卫星相对运动的方法:使主星产生自旋磁场,副星带电,通过控制副星所受的星间洛仑兹力进行编队。假设主星产生的人造磁场表现为偶极子并且运动在一条开普勒圆形轨道上,副星恒定带电并在主星附近运动,同时假设星间洛仑兹力只影响副星的运动而不影响主星的运动。推导了副星在主星HCW(当地垂直当地地平坐标系)坐标系下的相对运动动力学方程。针对偶极子与HCW坐标轴X轴重合的情况下,推导了动力系统下的平衡点(并采用稳定性分析方法分析其线性化意义下的稳定性)、积分常数和零速度曲面,证明了有界相对运动的存在。最后用数值仿真验证了上述结论。     

On the possibility of detecting some terms of the diurnal polar motion by the study of satellite orbits

The high precision of satellite laser ranging data obtained by the laser stations and the improvement of the models of forces acting on the satellite permit us to estimate the pole position with a few milliarsecond precision. In addition to the well-known precession and nutation in a space-fixed system the earth's rotation axis is affected by a diurnal motion which is superimposed to the polar motion in the terrestrial system. However, the way the pole position is usually estimated by determining a constant value and assuming a linear drift over a few days, the diurnal polar motion is averaged to zero.After some study of the geometry of the system and the relation between the diurnal polar motion and the satellite orbit, we have performed a series of simulations to see if this variation can be separated from variations in the orbit. The main result is that a specific quasi-diurnal term (corresponding to the fortnightly term in space) can be estimated with a milliarcsecond accuracy. Due to the effect of the tides at the same frequency, no significant value has been determined using real data.     

返回式卫星的热控设计

介绍我国返回式卫星热控设计方案。根据我国返回式卫星的特点,描述了热惯性法在热设计中的应用。地面热试验数据与飞行遥测温度数据比较表明,两者一致性良好,热控系统工作正常,星体与星内仪器温度均较好地处于所要求的范围内。