轨道机动过程中推力加速度的实时最小方差估计

飞行器轨道机动过程中，为跟踪、定位机动目标和干预机动控制过程，需要统计处理离散的雷达观测量实时估计推进发动机的推力，进而确定飞行器的瞬时轨道参数。本文所述算法是该工程问题的探讨和解决方案。文章建立了轨道机动过程中连续变质量运动模型和离散雷达量测模型，推进发动机的质量秒耗量作为表征推力加速度的一个近似常量，应用扩展卡尔曼滤波对离散的雷达测量数据进行顺序统计处理给出秒耗量的最小方差估计；文章详细地推导了线性化量模型的变分方程和观测矩阵；仿真结果表明该算法能快速、准确地估计推进发动机的质量秒耗量和向机动目标施加的实际推力。     

机动目标的空间交会微分对策制导方法

针对目标机动情况,利用定量微分对策方法分析连续推力作用下的空间交会追逃微分对问题,提出用非线性规划求解该微分对策问题的方法,建立空间交会追逃微分对策的非线性规划模型,有效解决了机动目标空间交会微分对策模型高度非线性且难于利用经典最优控制理论进行求解的问题,实现了最优控制与对策论的结合,并通过数值仿真校验了该方法的有效性。     

GEO混合推力机动目标跟踪IMM算法

针对交互多模型(IMM)算法求解地球静止轨道(GEO)卫星混合推力机动目标跟踪问题时模型匹配难、模型转移概率近似平均和响应速度慢的问题，从交互模型集构建和模型转移概率自适应设计两个方面出发提出一种改进IMM算法。该方法通过考虑无机动、脉冲机动和有限推力机动三种模式，构建了覆盖目标机动状态的交互模型集，提高了模型与机动目标实际运行状态的匹配度；采用一种基于加速度估计自适应修正的模型交互概率修正方法，提升了算法对目标机动状态的响应速度和跟踪精度。仿真结果表明，所提算法是解决混合推力模式下的GEO机动目标跟踪问题的有效手段，在收敛速度和收敛精度等方面与传统方法相比有较大提高。     

空间飞行器连续径向推力机动轨道研究

在二体假设下对空间飞行器在径向推力作用下的机动轨道进行了研究。首先,在惯性坐标系中建立了空间飞行器在径向推力作用下的动力学方程,探讨了径向推力机动轨道的动量矩矢量和能量特性;然后推出了空间飞行器在径向推力作用下的逃逸条件,探讨了在圆轨道上运行的空间飞行器在连续常值径向推力作用下的三类机动轨道的特性,并给出了相应的算例及仿真计算结果;最后,研究了连续常值径向推力圆轨道,得出了空间飞行器在连续常值径向推力作用下沿圆轨道运行的条件,并与对应的等半径开普勒圆轨道和等角速度（等周期）开普勒圆轨道进行了比较。     

基于自适应卡尔曼滤波的机动目标自主轨道确定

用自适应卡尔曼滤波法对非合作机动目标进行轨道确定,通过实时计算观测星的状态转移矩阵,近似描述目标星的状态变化并获得两星体相对位置.算法中用自适应卡尔曼滤波辨识噪声,通过极大似然法选择噪声修正模型.仿真结果表明:该法可有效用于对椭圆轨道非合作机动目标的自主轨道确定.     

一种常值推力作用的轨道机动优化设计策略

针对常值推力作用的航天器轨道机动优化设计问题开展研究,推导了航天器三维空间轨道机动动力学模型,对动力学模型各参数进行无量纲化处理以防止计算过程中出现奇异。提出了一种先轨道等待再轨道机动的优化设计策略,航天器先在初始轨道上无动力飞行一段时间进行轨道等待,然后寻找一个最优时刻施加推力再进行轨道机动。该策略将航天器的最优等待时刻和轨道机动过程中的最优控制量作为整体统一进行优化。通过基于分段积分技术的多重直接打靶法将原先复杂的轨迹优化设计问题转化为每个子时间区间的非线性规划问题,采用内点法进行求解。仿真验证了本文优化设计策略的有效性。     

基于模型预测的轨道自主快速大机动控制

为改善太阳同步轨道(SSO)卫星轨道大机动经典控制方法的性能,提出了一种基于卫星动力学模型预测的轨道自主机动控制算法,用大推力轨控发动机开环控制加小推力器闭环修正进行控制。给出了制导策略和算法流程。理论分析和仿真结果表明,该控制算法适于卫星轨道自主快速机动控制,其轨控精度较高,收敛时间可满足快速性要求。     

追踪椭圆轨道目标Hill制导及其误差分析

针对椭圆轨道目标的飞行器近距离交会问题,研究了追踪任意椭圆轨道目标的Hill制导方法.从状态转移矩阵出发推导出追踪椭圆轨道目标的Hill制导表达式,然后推导出连续常值推力作用下系统状态的解析表达式,在此基础上分析了Hill制导过程中线性化误差和J2摄动误差,通过误差项进行补偿,并给出了Hill制导改进算法.仿真分析表明椭圆轨道Hill制导是可行的,且其改进算法能进一步提高制导精度.     

基于天基测控的同步轨道卫星联合定轨方法研究

以美国现行的天基光学传感器SBV为例,分析了天基测控环境下光学传感器对同步轨道目标的覆盖特性,并构建了天基测控的观测模型。针对天基卫星星历误差对同步轨道目标定轨精度的影响,提出了抑制天基卫星星历误差的天地基联合定轨方法,将天基卫星和同步轨道卫星都作为待估计状态量,同时解算天基卫星和同步卫星轨道。仿真实验表明,天地基联合定轨方法能有效抑制天基星历误差的影响,能同时提高天基卫星和同步卫星的定轨精度。
     

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。     

极坐标系连续常值推力机动分析

连续常值推力是空间飞行常用的轨道机动方式,在空间交会与星际航行使命中具有重要的应用价值。其中,小推力适合于地球轨道航天器交会机动,而切向或周向推力以及较大的正径向推力可用于脱离地球引力场的逃逸飞行,执行星际交会使命。应用常推力作用下的极坐标系质心运动方程,对机动推力的量值没有限制;在航天器交会应用中,对相对距离也无要求。这种方法可直接获得向径与速度等轨道参数随时间或极角（绕地心的转动角）的变化,便于分析轨道转移与逃逸运动,有助于飞行使命与运动轨迹的设计。特别是,若机动转移的初轨为圆轨道,在推力较小、飞行时间不长的情况下,应用无量纲形式运动方程,可获得具有工程应用价值的近似解。文章给出一些有关的结果与应用案例。     

实现快速轨道大机动的混合制导策略研究

主要研究了在有限推力情况下远程快速轨道交会的制导控制问题,提出了采用速度增益制导结合E制导的混合轨控方案实现两冲量轨道精确交会。通过仿真验证,各方向制导位置控制精度在100 m量级,各方向速度控制精度在m/s量级,2种制导方法能很好地实现交班转换。该方法工程可实现性好,可满足远程快速轨道交会制导要求。     

航天器再对接撤退策略

在航天器交会对接最终逼近段、相对导航系统或其它系统出现故障、不得不中止逼近过程的情况下,若机动发动机仍能正常工作,应撤退至最终逼近段进入点,排除故障后,进行再对接。撤退方式的选择应全面考虑转移时间、速度增量、轨迹视界角以及可能产生的羽烟污染等因素。将相对运动方程设计的机动方案,代入绝对运动的轨道摄动方程中,验证了计算结果的正确性。     

Design and development of correlation techniques to maintain a space surveillance system catalogue

A growing interest exists in a future, autonomous European Space Surveillance System (ESSS). Currently, most of the knowledge about Earth-orbiting space objects is based on information provided by the USASPACECOM. This paper presents the required initial orbit determination (IOD) and correlation techniques to process optical measurements. Former studies were focused on the handling of radar measurements, which are summarised with the aim of describing a global procedure for processing hybrid measurement types (combination of radar and optic data for catalogue maintenance). The introduction of manoeuvres are presented due to their importance in the space object catalogue maintenance.The detection of uncatalogued objects and the successful correlation of already catalogued objects involve two different tasks for telescopes: survey and tasking. Assumptions for both strategies are developed on the basis of the previous work developed at the University of Berne (see [T. Flohrer, T. Schildknecht, R. Musci, E. Stöveken, Performance estimation for GEO space surveillance, Advances in Space Research 35 (2005). [1]; T. Flohrer, T. Schildknecht, R. Musci, Proposed strategies for optical observations in a future European Space Surveillance Network, presented in the 36th COSPAR Scientific Assembly (2006). [2]; R. Musci, T. Schildknecht, M. Ploner, Orbit improvement for GEO objects using follow-up observations, Advances in Space Research 34 (2004). [3]; R. Musci, T. Schildknecht, M. Ploner, G. Beutler, Orbit improvement for GTO objects using follow-up observations, Advances in Space Research 35 (2005). [4]; R. Musci, T. Schildknecht, T. Flohrer, G. Beutler, Concept for a catalogue of space debris in GEO, Proceedings of the Fourth European Conference on Space Debris, (ESA SP-587, 2005). [5]]). When a new object appears in the field of view, initial orbit determination must be performed. When only one telescope per site is available, the initial measurements are separated by only a few seconds. Therefore, the initial orbit determination is quite inaccurate due to bad mathematical conditioning of the problem. In order to improve the accuracy of the initial orbit determination, several follow-up observations of the object are required. This implies that the telescope needs to track the detected objects over a long period, and therefore the time available for surveying is reduced. By processing the additional follow-up measurements, separated now by a few hours, the initial orbit determination gives more accurate results and the object can be recovered after an orbital revolution. When several telescopes per site are available, the optical strategies may be modified. The survey tasks can be distributed between the available telescopes. In this way the number of images corresponding to each object increases and to track the detected object over long periods is not always needed. Numerical results will be shown in order to evaluate the accuracy and features of the different telescope strategies. A key point for performing efficiently the cataloguing process is the calculation of the estimated state vector covariance matrix. The covariance matrix analysis allows an adaptive tasking-survey telescope scheduling. Moreover, the implementation of a proper batch orbit determination process by means of a square root information filter (SRIF) requires a realistic initial covariance matrix.Hybrid measurements are available from objects that can be observed through both radar and optical sensors (e.g. GTO objects). The batch orbit determination and correlation process of hybrid measurements is also based on SRIF using an extended measurement model. Both the initial orbit determination methods using radar and optical measurements have to be sufficiently accurate to initialise SRIF correctly. In order to avoid filter divergence, the estimated covariance must be correctly updated after processing both kinds of measurements. The implemented algorithms are explained and their performance is shown through realistic simulations.Techniques to detect and characterise object manoeuvres during the cataloguing process have been developed and implemented. Four main groups of manoeuvre objects have been established by means of their observed permitted orbital ranges (GEO, LEO, MEO–GPS, Molniya). The study is based on the historical TLEs files. When an object with an uncatalogued orbit appears, a comparison between the new orbit and the orbits contained in the permitted ranges of one of the manoeuvre groups is performed. If the required Δa and/or Δi to convert the lost orbit into the detected orbit seems to be feasible, a manoeuvre will be identified and the orbit will be updated in the catalogue. Otherwise, it will be decided that a new object was found. For this purpose, a procedure to estimate the manoeuvres and reset orbits have been developed.     

卫星振动试验中推力的估算方法

准确预估规定试验条件下卫星振动试验所需推力对于试验的设计与实施具有重要意义。文章在常规卫星振动试验需用推力估算方法的基础上,结合具体的小卫星应用实例提出了支反力分析预示法和类比相似结构卫星推力的方法来估算卫星振动试验需用推力。通过与实际振动试验推力数据对比,文章给出了卫星振动试验需用推力估算方法的实用评估结论。     

J2摄动下脉冲推力星下点轨迹调整解析算法

针对快速响应对地成像任务,在轨卫星可通过轨道机动实现星下点轨迹调整。研究了J2摄动下小椭圆轨道的脉冲推力星下点轨迹调整的解析算法。首先给出脉冲推力下小椭圆轨道参数变化模型和滑行段星下点轨迹运动模型;然后通过分析得到影响星下点轨迹的四个轨道要素,进一步推导了平近点角增量近似公式,并得到它与速度增量的线性关系表达式;最后推导了J2摄动下星下点轨迹调整需要的脉冲的三种解析方法。仿真结果表明,三种解析算法运算速度快,地面位置误差小于7km。     

基于推力加速度模板的主动段弹道跟踪方法

对弹道导弹的主动段跟踪是导弹防御中重要的环节。针对此问题提出了一种基于推力加速度模板的主动段跟踪算法，该算法需要主动段推力加速度信息支持。给出了一种简捷的推力加速度模板构建方法。利用近常速运动模型描述了导弹运动特性，解决了对导弹发射时间的估计问题和模板概率的递推计算问题，并将该方法应用到空间预警系统中，通过仿真验证了该方法具有较好的识别效果，位置和速度估计误差都接近于CRLB限。     

Passive optical detection of submillimeter and millimeter size space debris in low Earth orbit

Understanding of the space debris environment and accuracy of its observation-validated models are essential for optimal design and safe operation of satellite systems. Existing ground-based optical telescopes and radars are not capable of observing debris smaller than several millimeters in size. A new experimental and instrumental approach – the space-based Local Orbital Debris Environment (LODE) detector – aims at in situ measuring of debris with sizes from 0.2–10 mm near the satellite orbit. The LODE concept relies on a passive optical photon-counting time-tagging imaging system detecting solar photons (in the visible spectral range) reflected by debris crossing the sensor field of view. In contrast, prior feasibility studies of space-based optical sensors considered frame detectors in the focal plane. The article describes the new experimental concept, discusses top-level system parameters and design tradeoffs, outlines an approach to identifying and extracting rare debris detection events from the background, and presents an example of performance characteristics of a LODE sensor with a 6-cm diameter aperture. The article concludes with a discussion of possible sensor applications on satellites.     

喷口遮挡对射流式姿控火箭发动机性能的影响

通过数值模拟和试验研究,分析了喷口遮挡对姿控火箭发动机性能的影响。结果表明,当发动机喷口被遮挡时,姿控发动机不能跟随控制指令产生所需的反向推力,其稳定弹轴的能力减弱,从而影响火箭弹的落点精度。     

固体微推力器阵列的推力估计与分配补偿方法

针对固体微推力器阵列(SPMA)中微推力器一次性点火,推力测试中难以获得精确推力的特点,为实现推力在线估计和实时补偿,提出一种利用二次规划对微推力器阵列推力进行估计,同时结合混合整数规划算法进行推力分配的方法,对估计算法收敛性以及控制系统稳定性进行了分析。该方法在不修改控制律的前提下,对推力器推力进行在线估计,并采用推力分配的方法实时补偿推力器出现的推力偏差,对系统稳定性的分析证明该方法可以保证系统的有界稳定。将其应用到微纳卫星编队保持中,仿真结果表明,在微推力器阵列出现推力偏差的情况下,该方法能很好地补偿推力偏差对控制系统造成的影响。