卫星编队飞行相对轨道的摄动研究综述

卫星在编队飞行过程中总受到各种摄动力的作用，由于轨道摄动直接影响卫星的寿命，研究卫星编队飞行相对轨道的摄动问题具有重要的意义。本文综述了国内外有关编队飞行卫星相对轨道摄动问题的研究方法以及进展，最后针对目前相对轨道摄动的研究现状，指出了进一步的研究方向。     

编队飞行卫星相对轨道的自主确定算法

给出了描述编队飞行卫星近距离相对运动的C -W方程。讨论了基于相对位置测量的相对轨道自主确定方法 ,采用扩展卡尔曼滤波进行状态估计。仿真结果表明 ,在厘米级的测距精度和 0 0 1度的测角精度下 ,相对定轨精度能达到厘米量级 ,相对速度误差的量级为毫米 /秒     

确定编队卫星相对轨道的容错UKF方法

针对相对轨道测量设备出现连续野值引起的滤波误差偏大及发散问题,提出了基于残差正交性检测的容错UKF算法.介绍了非线性滤波在相对轨道自差确定中发展历程和容错UKF的原理、滤波算法和计算流程.根据测量设备出现连续成片野值时残差序列服从以野值为均值的正态分布这一特性,提出了基于残差正交性进行野值检测的思路,通过加权一个以残差方差的迹为参数的活化函数,构造在线修正的uKF容错滤波器,抑制野值对新息序列正交性的影响.在STK软件设定两颗卫星的轨道根数,生成相对运动的位置和速度,通过坐标变换,加入正态分布的误差和连续野值,构造卫星问距离、仰角和方位角测量值.根据C-W相对运动方程和空间几何建立状态方程和测量方程,编制基于残差正交性检测的容错IJKF.滤波器的相对轨道确定程序.通过仿真计算,评估了连续野值对常规UKF和容错uKF轨道确定算法的影响,证实了容错UKF算法可以完成对连续野值的检测及在线修正功能,有较强的鲁棒性和稳定性,可以应用于工程实践.     

多星编队相对轨道的自主确定

编队飞行的相对轨道确定具有重要意义。针对编队应用中多颗环绕星相对中心星的自主定轨问题进行了研究，提出引入环绕星间相对测量信息的分布式滤波方案。设计了二级滤波器，利用环绕星间测量信息提高一级滤波得到的环绕星相对轨道的确定精度。仿真结果验证了这种导航方案的有效性。     

用于对地观测定位的编队飞行卫星群轨道构形设计

编队飞行卫星群是一组小卫星,它们具有短的相对距离、相等的轨道半长轴和微小差别的其它轨道要素,它们形成相互伴随运动,并且具有一定的构形。提出将编队飞行卫星群的轨道设计技术应用于对地观测定位卫星系统中。根据设想的要求,针对由四颗伴随卫星围绕基准卫星(或一个虚拟的中心)飞行的轨道设计案例,初步分析了编队飞行卫星群的构形保持,地球引力和大气阻力的摄动影响等问题。     

主从式卫星编队相对轨道的自主确定

为实现主从式卫星编队飞行中心星与环绕星的自主定轨，采用微波雷达测量卫星间相对距离、距离速率、方位角和仰角。根据动力学方程给出了导航算法，并利用扩展卡尔曼滤波（EKF）提高微波雷达相对速度的测量精度。仿真结果表明，该导航算法对主从式卫星编队较有效，且能获得较佳的导航精度。     

编队卫星短弧段相对轨道确定方法研究

针对2颗星编队飞行的情况,描述了相对运动的3种动力学模型,利用GPS测量得到的相对位置矢量,选择了非线性最小二乘估计方法来实现相对轨道确定.结合空间圆编队构形进行了分析和仿真,结果表明该方法能得到高精度的相对状态信息,相对动力学模型越精确,相对状态信息精度越高.     

扩展卡尔曼粒子滤波在编队卫星相对轨道确定中的应用

考虑两星编队飞行情况,建立了惯性坐标系内卫星绝对运动方程,以激光和无线电测量获得相对观测量,利用扩展卡尔曼粒子滤波实现相对轨道高精度确定。结合实例进行了分析和仿真,结果表明EPF算法能够有效提高相对位置确定精度,并给出相对速度的高精度估计。     

卫星编队飞行星间相对运动

为分析编队卫星不同模型间的差异，分别根据动力学和运动学推导了星间相对运动的非线性、线性和相对轨道根数三种模型。以非线性相对运动模型为参考，在相同初始条件下比较各模型的位置误差。仿真结果表明：中心星在圆轨道或近圆轨道上运动时，三个模型结果相差较大。增大中心星轨道偏心率，可减小其位置误差。     

编队飞行小卫星相对姿态控制研究

以四元数作为定位参数对编队飞行小卫星进行相对姿态控制。首先给出了以误差四元数作为反馈量 ,基于参考卫星的相对姿态控制律 ,其次 ,研究了由若干颗相同卫星组成的编队卫星 ,在卫星姿态达到指定的方位时 ,相互之间也要满足一定要求的相对姿态控制律。最后进行了仿真计算 ,说明了两种相对姿态控制的有效性和可行性     

编队飞行区域性导航卫星和位置保持

提出一个由4颗地球同步轨道卫星编队飞行组成区域性导航系统方案。采用精确描述相对运动的编队飞行运动学模型，设计编队飞行各卫星轨道参数。在考虑地球同步轨道主要摄动条件下，进行编队飞行队形变化动力学仿真。根据仿真结果，估算区域性导航精度在十米至二十米范围内。除此以外，还研究编队飞行位置保持控制策略和燃料消耗估算。这是至今为止在相同精度和相同覆盖区条件下卫星数量最少的，也是投资经费最低的导航系统方案。     

GPS-based relative navigation for the Proba-3 formation flying mission

The primary objective of the Proba-3 mission is to build a solar coronagraph composed of two satellites flying in close formation on a high elliptical orbit and tightly controlled at apogee. Both spacecraft will embark a low-cost GPS receiver, originally designed for low-Earth orbits, to support the mission operations and planning during the perigee passage, when the GPS constellation is visible. The paper demonstrates the possibility of extending the utilization range of the GPS-based navigation system to serve as sensor for formation acquisition and coarse formation keeping. The results presented in the paper aim at achieving an unprecedented degree of realism using a high-fidelity simulation environment with hardware-in-the-loop capabilities. A modified version of the flight-proven PRISMA navigation system, composed of two single-frequency Phoenix GPS receivers and an advanced real-time onboard navigation filter, has been retained for this analysis. For several-day long simulations, the GPS receivers are replaced by software emulation to accelerate the simulation process. Special attention has been paid to the receiver link budget and to the selection of a proper attitude profile. Overall the paper demonstrates that, despite a limited GPS tracking time, the onboard navigation filter gets enough measurements to perform a relative orbit determination accurate at the centimeter level at perigee. Afterwards, the orbit prediction performance depends mainly on the quality of the onboard modeling of the differential solar radiation pressure acting on the satellites. When not taken into account, this perturbation is responsible for relative navigation errors at apogee up to 50 m. The errors can be reduced to only 10 m if the navigation filter is able to model this disturbance with 70% fidelity.     

卫星编队飞行的地球扁率摄动分析

本文研究了地球扁率J2项摄动对卫星编队飞行的影响。首先，给出了编队飞行数学描述，推导了轨道根数和相对运动状态的关系式；然后，将卫星编队的受摄影响分解为整体摄动和相对摄动，分别得到了解析解，重点分析了相对摄动规律。研究结果对卫星编队的设计有一定的参考价值。     

关于卫星网整网自主定轨方法的探讨

随着在轨卫星数量的不断增多，卫星网的自主定轨已经成为迫切需要，本文重点阐述如何利用星间相对测量（相对距离测量和相对速度测量）技术，将卫星精密轨道确定方法和大地测量中的整网平差方法相结合，来实现卫星网的自主定轨，仿真结果表明，这一方法是切实有效的。     

考虑J2项摄动的星座相对运动控制

利用轨道某些要素(偏心率，升交点赤经和倾角)的差别可以构成由一颗中心星和几个环绕星组成的近距离星座。在理想中心引力场下，环绕星运行轨迹在水平面投影可以呈现封闭圆形。在地球引力摄动时，这种空间形状将逐渐发散。为此，本文考虑J2项摄动的影响，设计了对其具有鲁棒性的环绕星相对轨道；进而导出了带有J2项摄动的环绕星相对运动方程，并给出了基于惯性笛卡尔坐标系运动学变量的相对轨道控制方法。分析和仿真结果表明，这种控制方法能够实现星座相对运动的高精度控制。     

微小卫星组网与编队技术的发展

介绍了国内外微小卫星及其组网和编队技术的发展状况，并对其中的星座轨道分布及覆盖、高精度轨道定位，以及编队飞行的形成和保持等关键技术进行了分析。     

基于星光大气折射的卫星自主轨道确定

本文研究了利用星敏感器进行卫星轨道确定的自主导航方案。这种自主导航方案完全利用高精度的CCD星敏感器，以及大气对星光折射的数学模型及误差补偿方法，精确敏感地平，从而实现航天器的精确定位。以某太阳同步轨道卫星为背景，针对本文给出的星光折射光的卫星导航方案，结合推广的卡尔曼滤波算法，使用模拟数据进行了仿真研究，定位精度为38m。仿真结果说明，星光折射角的测量误差和大气折射模型的不确定性是影响导航精度的主要因素。