航天器近距编队轨道动力学模型及仿真

针对目前航天器近距编队长期飞行中存在的HCW模型精确度不够的问题,提出了利用平均轨道根数线性微分漂移率预测J_2摄动下航天器近距编队相对运动的方法,建立了一种新的航天器近距编队轨道动力学模型.仿真结果表明,解析模型计算得到的相对运动轨道和不考虑J_2摄动影响的相对运动轨道相比,解析模型运算时间很短,精度提高约50%(10个轨道周期之后),证明了模型的有效性和快速性,适合在线运行,同时给出了解析模型的适用范围.     

平均轨道根数与密切轨道根数的互换

基于双行轨道根数和简化普适摄动算法,提出平均轨道根数与密切轨道根数的互换算法。以在轨Tan-DEM-X编队的双星为例进行仿真。与传统的只考虑J2项摄动短周期影响的转换算法相比,本文提出的互换算法精度更高：由平均轨道根数转换的密切轨道根数与STK 8软件给出的结果一致;由密切轨道根数转换的平均轨道根数与北美防空司令部公布的双行轨道根数一致。仿真结果表明该互换方法具有科学性和工程应用价值。     

基于平均轨道根数的飞船伴飞卫星控制方法

给出一种基于平均轨道根数的伴飞卫星控制方法。首先介绍二体轨道条件下利用超几何函数法解算二次冲量控制问题的基本思想,在此基础上通过n次修正法应用到摄动条件下的轨道模型;通过引入平均轨道根数的概念,对航天器编队构形进行控制,消除短周期摄动对轨道的影响,长期有效地控制构形维持。同时讨论对跟飞和圆形伴飞编队进行构形维持的起控条件的确定方法。     

普适变量下的最优控制求解研究

研究了普适变量下状态方程的最优控制问题.在消除奇点的轨道根数的基础上,建立了普适变量下适合圆锥曲线求解的摄动方程.利用Gauss伪谱法对摄动方程进行了最优控制求解和仿真验证.计算过程及仿真结果表明,所建立的摄动方程以及所用的Gauss法能够满足各种约束条件,便于对发动机进行控制,且在零倾角轨道情况下不产生奇异.     

绕飞慢自旋小天体的航天器运动分析

针对可以用三轴椭球体近似建模的小天体,给出了非球形引力势函数,建立了航天器绕飞小天体的轨道动力学方程。利用Jacobi积分常数绘制了探测器在小天体周围的零速度曲线,并分析了探测器的可能运动区域,给出了航天器不碰撞小天体的边界条件。针对绕飞慢自旋小天体的情况,基于平均轨道根数的近似解分析了小天体扁率和椭率的摄动影响,并给出了几条冻结轨道及其稳定条件。     

月球卫星运动的分析解

由于月球自转的缓慢及其引力位的特点，导致月球卫星与人造地球卫星的轨道变化有所不同。本文全面地讨论了这一问题，对月球卫星在过程中所受到的各种摄动因素作了详尽的分析，并在一定精度要求前提下，采用拟平均根数法，给出了相应的分析解。     

持续推进地球轨道转移的直接优化方法(英文)

对于一大类时间最省(单次推进)和燃料最省(多次推进)的中等推力水平持续推进地球轨道转移问题,本文给出了一种系统的直接优化方法。首先,对于具有倾角和偏心率的目标轨道,我们介绍了一种惯性坐标转换方法得到更具一般性的末端约束条件。这个转换避免了逆行赤道轨道对春分点轨道根数引起的奇异,同时也提高了求解优化问题的收敛性。多次打靶法在本文中也得到了应用,给出了针对不同形式的轨道转移如何分配多次打靶变量的方法。基于惯性坐标转换和多次打靶法,最优控制问题转换为利用非线性规划法求解的参数优化问题。本文给出了单次推进时间最省以及多达12次推进燃料最省的轨道转移仿真结果,所有收敛结果均以简单定义的初值迭代得到。最后,我们讨论了利用模型预测控制进行自主制导的潜在方案。     

月球卫星运动的分析解

由于月球自转的缓慢及其引力位的特点,导致月球卫星与人造地球卫星的轨道变化有所不同。本文全面地讨论了这一问题,对月球卫星在运动过程中所受到的各种摄动因素作了详尽的分析,并在一定精度要求前提下,采用拟平均根数法,给出了相应的分析解。为月球卫星轨道分析和轨道设计提供了理论依据,而且在相应精度前提下,为月球卫星精密定轨提供了简便的有摄星历计算公式。     

地球卫星的运动理论 Ⅰ.线性摄动

本文讨论了建立人造地球卫星在主要摄动力作用下的运动理论问题。摄动力(重力、大气阻力、太阳光压)用勒让德多项式展开。这样,在推导由各种摄动力引起的轨道根数的摄动公式的时候,就可统一使用众所周知的倾角函数和偏心率函数的方法。这样处理问题,就可得到所有这些摄动力彼此相似的、便于编制电子计算机程序的公式。推导出了由地球非中心引力场、日月引力、日-月潮、太阳直接辐射和反照辐射的压力(考虑地影)、大气压力、地球的岁差章动等所引起的轨道根数的线性摄动公式。     

人造卫星轨道理论中的误差传播规律

本文在文[1]的基础上,对人造卫星轨道理论中的误差传播规律再次进行了研究,并给出了所需各量的具体估计公式: (1)卫星坐标Υ和速度Υ在径向(S)、切向(T)和法向(W)三方向的投影, (2)卫星改进根数i,Ω,ξ,η,λ,n,n,n,n; (3)卫星预报根数a,e,ω,M,T_Ω,P_Ω,P_Ω,P_Ω,P_Ω; (4)卫星观测量α,δ,A_N,h,ρ,ρ; (5)卫星星下点坐标L,φ,H     

环火探测器非球形引力摄动运动的频率分析方法

环火探测器的摄动分析解对于分析探测器轨道运动规律以及星载计算具有比较重要的意义。针对火星非球形引力摄动影响下环火探测器的运动,采用频率分析方法,对环火探测器轨道运动进行仿真,得到了与KAM理论一致的结果,在火星非球形引力摄动作用下的环火探测器轨道位于一个不变环面,可由3个角变量的频率描述。利用该方法,采用数值方法构建轨道运动的分析表达式,通过与数值积分结果的比对,证明该分析表达式具有较好的精度,适合长时间的轨道外推,可以满足航天任务的星载应用需求。该方法不仅可以给出环火探测器在任意时刻的轨道状态量,同时可以较高精度地确定3个角变量的变化率,反映一定的轨道变化规律。     

卫星编队队形保持非线性燃料次优控制

针对卫星编队飞行队形保持推导了一种利用相对轨道根数为反馈量的非线性燃料次优控制算法。该控制算法基于高斯型摄动方程采用Lyapunov控制,控制增益是时变的以便控制某轨道根数时对其余的轨道根数影响最小。这种控制算法接近于燃料最优,且可以调整增益系数来适应推力大小的不同情况。仿真结果表明,该控制方法是有效的,且相比其他的控制算法能够节省更多的燃料。     

任意轨道的人造地球卫星定轨的新方法(Ⅰ)——定轨方案的研究

在微分轨道改进的基础上,作者提出了一种新的定轨方法,其主要特点是: (1)适用于0≤e<1,0°≤i<180°的任意轨道的人造地球卫星; (2)状态矢量对轨道根数的偏微分采用完整的一阶理论,计算能力适用于较高精度的各种类型的观测资料; (3)补充考虑了状态矢量对摄动模型参数的偏微分,从而可以显著消除不稳定摄动因素的不确定性,提高定轨和预报的精度。本文是第一部分——定轨方案的研究。主要内容是:主要前提、基本原理和全部公式。     

μ分析在飞控系统稳定裕度评估中的应用

传统控制系统稳定裕度评估方法主要用于单输入单输出(SISO)系统,且对模型参数摄动考虑不够全面,针对这些不足,研究了μ分析方法。在介绍系统广义稳定裕度相关概念、评估准则、系统线性分式变换(LFT)表达的基础上,给出了基于μ分析的多变量系统稳定裕度评估方法。最后给出一个示例,仿真结果表明该方法是一种有效的评估算法,具有重要的理论和工程意义。     

广义轨道根数空间的轨道机动可达性

在由动量矩矢量和偏心率矢量定义的广义轨道根数度量空间内,研究了在初始轨道的任意点施加幅值固定的单脉冲后卫星的可达区域,包括脉冲施加的位置任意、方向固定和位置固定、方向任意2种情况,给出了广义轨道根数空间中轨道机动的可达性判据.通过比较脉冲作用前后的广义轨道根数,评估了单脉冲对广义轨道根数的影响,并且利用数值仿真分析了脉冲作用位置、方向与广义轨道根数空间中度量的关系.最后,在广义轨道根数空间中给出了轨道到轨道的机动策略,验证了广义轨道根数的可行性.     

中间轨道实用化的进一步探讨

对于受摄二体问题,通常都是处理成一个变化椭圆轨道问题。而对于强摄动情况,椭圆变化太快,人们希望能找到另一种更接近真实运动的所谓中间轨道来代替椭圆轨道。特别针对一些环绕大行星(包括地球)或小行星运行的低轨卫星(探测器),因中心天体的扁率影响较大,给出了几类中间轨道。如Vinti型中间轨道,它可完整地包含扁率项的摄动影响。但它毕竟不能完全反映中心天体的非球形引力作用,在此基础上再去求各种剩余摄动是否简单,人们作了一些有益的探讨。本文就是在此背景下对Vinti型中间轨道的实用化作进一步的深入探讨。结果表明,对一些特殊的中心天体,中间轨道还是有一定实用价值的。     

同伦算法在单位矢量法定轨中的应用

本文提出一种由三个观测方向确定卫星初轨的方法,在该法中卫星轨道直接由六个经典轨道根数表示。轨道根数的求解涉及对冗余非线性方程组的求解,结合同伦方法基本思想和冗余非线性方程组的最小二乘广义逆,本文给出了该卫星定轨的同伦求解法。初步仿真计算表明,同伦求解法较其它传统的非线性方程组求解法在全局收敛方面具有优越性,同时也就表明该定轨法是切实可行的。值得指出,本文方法很容易扩展到N(N>3)个观测方向确定卫星初轨,此时定轨精度将进一步提高。     

Hamilton体系层合板动力响应半解析法

对时间方向引进正则变换函数, 给出了层合板动力学的Hamilton正则方程及其半解析法。通过分离变量, 就可以在板平面内采用通常的有限元离散, 而在板厚方向采用状态空间法给出解析解, 且通过传递矩阵, 保证了层间位移和应力的连续, 建立了层合板上下表面相变量的关系式, 利用打靶法进行求解。数值算例表明:本文方法未知量少, 精度高。      

一种基于轨道根数约束的最优制导方法

针对航天器空间变轨的制导问题,研究了一种基于轨道根数约束的最优制导方法。在地心惯性坐标系下直接建立航天器的最优控制模型,给出了位置速度表达式和协态变量初值之间的关系;进一步,在不约束真近点角的前提下,推导了5个轨道根数的约束方程,并通过对轨道根数和最优控制理论中协态方程的特性分析,获得了另外两个约束方程。协态变量初值可直接通过求解7个完整约束方程组获得,进而得到最优推力方向。仿真验证了所提制导方法的有效性。     

有关近赤道卫星圆轨道初始节点位置的一些有价值的分析结果

本文利用基于李氏变换的摄动理论,求得了近赤道卫星圆轨道倾角和升交点赤径的二阶长周期解。这种解包含了地球扁率与月—日摄动的平均效应。然后给出了对任务分析有用的三种算法。第一种算法求得了导致倾角减小至零的初始节点位置,以及达到零倾角所对应的时间;第二种算法确定了在给定的时间间隔内,使轨道倾角保持在规定值范围内的初始节点所在区域;第三种算法确定了在不采用任何机动控制的情况下,使卫星保持在规定倾角容差之内的时间最长的初始节点位置,并求出与之对应的最长时间。对于24小时近赤道卫星圆轨道,本文给出了第一和第三种算法的结果,并以简单的闭合形式给出。