朔月期间基于SEMOI的卫星自主导航方法研究

为解决朔月期的卫星自主导航,提出了一种利用日地月光学信息(SEMOI)的实现方法。利用朔月期卫星-太阳方向矢量与卫星-地球方向矢量间夹角,由迭代最小二乘法估计历元时刻的卫星定位数据,并以轨道预报方式实现卫星自主导航。给出了计算流程。仿真结果表明,该法的定位精度可满足民用卫星的导航要求。最后讨论了采样周期和敏感器精度等因素对定位精度的影响。     

基于日地月方位信息的月球卫星自主导航

采用自主导航技术，可以降低月球卫星的任务成本，提高其生存能力。现研究了利用太阳敏感器、地球敏感器和月球敏感器测量出的卫星-太阳、卫星-地球和卫星-月球方向矢量作为观测量，采用迭代最小二乘方法、定历元时刻的卫星状态，并以轨道预报的方式实现月球卫星的自主导航。对该自主导航算法进行了数学仿真，分析比较了敏感器精度、部分轨道参数等因素对定位精度的影响，总结了其变化规律。最后对比了迭代最小二乘方法与扩展卡尔曼滤波的导航仿真结果，结果表明前者具有更高的精度。     

地月转移轨道自主导航算法研究

本文给出一种地月转移段的自主导航算法。以紫外敏感器输出的月心像素和月心距等信息为观测量,利用基于UD分解的扩展卡尔曼滤波算法确定探测器的轨道。仿真结果表明,基于紫外敏感器的地月转移段自主导航是可行的,引入单程多普勒测速的组合导航算法可以有效地提高导航精度与收敛速度。     

考虑月球扁率修正的月球卫星自主导航

针对月球扁率对月球紫外敏感器的月心方向矢量确定的不利影响,研究了月球紫外敏感器的测量原理和敏感到月平边缘时满足的几何约束,提出了一种考虑月球扁率的月心矢量确定方法。并进一步的结合地球敏感器和太阳敏感器的测量信息,研究了基于日地月方位信息的月球卫星自主轨道算法,并评估了月球方位确定算法对导航精度的影响。仿真结果表明,在太阳敏感器、地球敏感器和月球敏感器的精度分别为0.02°(3σ)、 0.05°(3σ) 和0.1°(3σ)的假设下,考虑月球扁率修正的月球卫星的自主导航位置精度能达到300m(3σ),导航速度误差能达到0.6m/s(3σ), 从而保证了环月卫星的导航精度。     

基于紫外敏感器的地月转移轨道慢旋探测器自主导航算法

针对地月转移轨道的慢旋探测器.提出一种基于紫外敏感器的自主导航算法.探测器对日定向,生成初始姿态.紫外敏感器具有大视场特性,绕横轴旋转一周可以实现对全天球70%左右空间的覆盖,因此有很大的机会在地月转移轨道实现对地球和月球的观测并获得地心方向和月心方向的测量值.本文首先对紫外敏感器的环形视场进行分析,利用解析方法推导出敏感器对月/地可见条件.其次研究由地心方向和月心方向单次测量来确定轨道参数的初始估值.最后研究如何利用每个自旋周期分别对地心方向和月心方向最多各一次的测量数据,估计探测器轨道参数的方法,并给出数学仿真结果.     

圆型限制性三体问题相对运动解析研究

针对圆型限制性三体问题共线平动点附近周期/拟周期轨道下的相对运动问题,提出一种新的、通用的解析研究方法。在周期/拟周期轨道近似解析解的基础上,结合微分修正方法,获得了精确的周期/拟周期轨道。对周期/拟周期轨道的单值矩阵进行分析,同时借鉴Floquet理论核心思想,建立了六个相对运动模态,并将相对运动表示为六个相对运动模态的线性组合,获得了相对运动的近似解析解。最后在地-月系统圆型限制性三体问题下,以L1点作为研究对象,分别以Halo轨道、Lissajous轨道和Lyapunov轨道为参考轨道,对相对运动模态和相对运动进行仿真分析,说明了相对运动模态的正确性以及相对运动近似解析解的有效性。     

基于日地月方位信息的自主导航系统的脉冲仿真和方位确定

基于日地月信息的自主导航系统利用日地和月地夹角信息来确定卫星的轨道和姿态,具有很强的应用背景.它利用在轨的集成敏感器来敏感太阳、月球和地平边缘,从而产生相应的脉冲.利用脉冲的信息就可以确定日、地、月的方位信息,并可以确定日地和月地夹角.本文研究了该类自主导航系统的基于球形地球假设的方位确定算法,导航敏感器基于地球扁率的...     

基于日地月方位信息的近地轨道卫星自主导航

研究了用日地月方位信息进行卫星自主导航的方法。给出一种最小二乘导航算法。用 Gorddard空间飞行中心发布的我国实践 5号卫星的轨道数据 ,在对地定向三轴稳定的姿态运行模式下 ,模拟出了日、地、月在卫星本体坐标系中的方位测量数据。数字仿真实验结果表明 ,在地球敏感器噪声 0 .10°( 3σ) ,日、月敏感器噪声 0 .0 3°( 3σ)情况下 ,一天之内的导航径向误差在 - 30 0 m～ 2 0 0 m波动 ,相对地心的方位误差不超过 0 .0 4 1°     

基于地月信息的奔月探测器自主光学导航

基于地月信息提出了一种奔月转移轨道的自主光学导航算法。该算法首先利用导航相机得到的地球和月球边缘图像与地、月几何形状模型，运用扩展源的空间获取算法导出地心和月心对应的像素，然后利用地心和月心像素、探测器的惯性姿态和该观测历元的地、月星历信息，通过基于UD分解的递推加权最小二乘算法确定了探测器轨道。还引入导航系统的可观度定义来分析了导航系统的可观性，数学仿真结果表明导航的位置误差小于30km，速度误差小于0．3m／s，证明该自主光学导航算法是有效的。     

火星轨道交会自主导航与制导方法

对火星采样返回任务中的火星轨道交会自主导航和制导技术进行了研究。采用光学自主导航敏感器测量的火星中心方向和视半径,相对敏感器测量的相对位置等观测量,设计了导航滤波器同时估计轨返组合体和上升器的轨道。在导航滤波器设计中,针对光学自主导航敏感器更新频率远低于滤波解算频率的问题,设计了一种连续观测量构造算法,确保每个滤波周期均可进行测量更新,以提高导航精度。基于导航滤波器估计结果,采用T-H制导设计了4脉冲共椭圆交会策略实施轨道控制,从而构成近程交会自主导航和制导方案用于完成火星轨道交会任务。通过数学仿真校验了所提出方法的有效性。     

Autonomous optical navigation for orbits around Earth–Moon collinear libration points

The analysis of optical navigation in an Earth–Moon libration point orbit is examined. Missions to libration points have been winning momentum during the last decades. Its unique characteristics make it suitable for a number of operational and scientific goals. Literature aimed to study dynamics, guidance and control of unstable orbits around collinear libration points is vast. In particular, several papers deal with the optimisation of the Δv budget associated to the station-keeping of these orbits. One of the results obtained in literature establishes the critical character of the Moon–Earth system in this aspect. The reason for this behaviour is twofold: high Δv cost and short optimal manoeuvre spacing. Optical autonomous navigation can address the issue of allowing a more flexible manoeuvre design. This technology has been selected to overcome similar difficulties in other critical scenarios. This paper analyses in detail this solution. A whole GNC system is defined to meet the requirements imposed by the unstable dynamic environment. Finally, a real simulation of a spacecraft following a halo orbit of the L2 Moon–Earth system is carried out to assess the actual capabilities of the optical navigation in this scenario.     

地-月系平动点及Halo轨道的应用研究

地-月系统的平动点L1点及L2点的Halo轨道在探月工程中有重要的应用价值，可分别用于地月连续通信覆盖和月球背面的探测。由于在地-月系统中太阳的引力不可忽略，特别是在长时间作用以后，其动力学行为与摄动力较小的日-地系统有明显的不同。本文分析了如何利用太阳引力进入地-月系统的L1点及L2点的Halo轨道、以及由Halo轨道进入近月轨道的问题，两者综合起来构成了一条完整的地月低能转移轨道。研究结果对探月轨道设计有一定的参考价值。     

Applications of multi-body dynamical environments: The ARTEMIS transfer trajectory design

The application of forces in multi-body dynamical environments to permit the transfer of spacecraft from Earth orbit to Sun–Earth weak stability regions and then return to the Earth–Moon libration (L₁ and L₂) orbits has been successfully accomplished for the first time. This demonstrated that transfer is a positive step in the realization of a design process that can be used to transfer spacecraft with minimal Delta-V expenditures. Initialized using gravity assists to overcome fuel constraints; the ARTEMIS trajectory design has successfully placed two spacecrafts into Earth–Moon libration orbits by means of these applications.     

嫦娥五号平动点拓展任务轨道方案研究

中国嫦娥五号探测器成功实现月球采样返回任务,为最大限度利用任务资源,研究了利用嫦娥五号轨道器的平动点拓展任务轨道方案,设计了平动点轨道及其转移轨道.首先,给出了任务轨道设计的轨道动力学模型,包括圆型限制性三体问题模型和精确力模型.其次,基于嫦娥二号和嫦娥5T1平动点拓展任务设计经验,介绍了平动点轨道直接转移与入轨等轨道...     

CE5T拓展试验轨道精度分析

针对嫦娥5T服务舱(CE5T)拓展试验中的绕地大椭圆轨道，分析了轨道动力学演化趋势，通过测轨数据类型组合策略分析了统一S频段测量(USB)和甚长基线干涉测量(VLBI)在定轨中的贡献，得到了百米级的精密定轨精度；针对地月第二平动点(L2)绕飞轨道，分析了地心和月心积分的轨道动力学差异，制定了精密定轨的参数求解策略，得到了百米级的精密定轨精度；针对月球交会对接轨道的特点，选取三种不同的重力场模型定轨，比较了三者在轨道预报和数据拟合的差异，并与嫦娥3号(CE3)环月轨道的定轨精度进行比对，验证了不同重力场的适用范围，从计算精度和效率两方面制定了优化的定轨策略。     

Orbit determination and control for the European Student Moon Orbiter

This paper presents the preliminary navigation and orbit determination analyses for the European Student Moon Orbiter. The severe constraint on the total mission Δv and the all-day piggy-back launch requirement imposed by the limited available budget, led to the choice of using a low-energy transfer, more specifically a Weak Stability Boundary one, with a capture into an elliptic orbit around the Moon. A particular navigation strategy was devised to ensure capture and fulfil the requirement for the uncontrolled orbit stability at the Moon. This paper presents a simulation of the orbit determination process, based on an extended Kalman filter, and the navigation strategy applied to the baseline transfer of the 2011–2012 window. The navigation strategy optimally allocates multiple Trajectory Correction Manoeuvres to target a so-called capture corridor. The capture corridor is defined, at each point along the transfer, by back-propagating the set of perturbed states at the Moon that provides an acceptable lifetime of the lunar orbit.     

从月球逃逸探测小行星的发射机会搜索

从月球逃逸探测小行星的发射机会搜索因需考虑日、地、月引力的影响而使问题变得复杂。针对该多体系统的发射机会搜索问题,提出了一种分层渐近的搜索方法。该方法首先通过分析地月系质心与小行星的几何关系,搜索从地月系质心到小行星的发射机会,进而以地月运动为研究对象,推导出了从月球轨道切向逃逸机会的判别条件,并基于此判别条件及等高线图法对逃逸机会进行了搜索。同时,为提高所得发射机会在多体模型下的轨道修正收敛性,给出了基于月心逃逸轨道参数为终端约束的日-地与日-地-月动力学模型的轨道渐近修正方法。最后,以近地小行星(3908)Nyx和(190491)2000 FJ20为例,搜索其从月球逃逸的发射机会,仿真计算表明了该方法的有效性。