论空间交会中的径向连续推力机动与N次推力机动

文章从相对运动和绝对运动两方面分析径向小推力连续机动在空间交会V-bar接近中的运动规律，对冲量型、连续型和N次推力三类径向推力策略的性能进行比较。径向小推力连续机动的相对运动轨迹呈“旋轮线”型式。N次机动策略变轨速度总和与冲量型转移及连续推力机动所需的变轨速度相等，轨道控制能力提高，视界角比冲量型转移的视界角小，转移时间比连续型推力所需时间减少，且能适应范围更广的推力阶。N次推力机动策略综合性能优良。     

空间交会V—bar接近冲量机动运动分析

从相对运动与绝对运动两方面全面阐述空间交会V—bar接近冲量机动变轨的运动规律。交会接近段的起点与终点为绝对运动转移轨道通径的两个端点，转移轨道半长轴略大于机动变轨前的轨道半径，转移轨道偏心率以及追踪星对目标星缩减的地心角取决于径向速度增量，并给出视界角设计方法。     

连续常值推力机动分析与应用

连续常值推力机动是空间飞行常用的轨道机动方式。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、轨道速度等参数随时间或极角(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,应用量纲1形式的运动方程,可获得具有工程应用价值的近似解。     

航天器交会中的Lambert问题

应用Lagrange转移时间方程研究空间交会中的Lambert问题,包括经典Lambert问题(飞行弧段不足一圈的椭圆型轨道转移)与多圈Lambert问题(飞行圈数超过一圈的轨道转移),阐述转移轨道的几何特性与转移轨道类型,分析转移时间与转移轨道参数及变轨速度增量之间的关系。对航天器交会中常用的圆轨道之间的双冲量转移,给定转移角与转移时间,阐述最小变轨速度增量所对应的转移圈数与轨道参数的求解方法,提出满足最小变轨速度增量要求的轨道转移的图解法。对给定的初始分离角与交会时间,按最小变轨速度增量要求,确定航天器交会的初始漂移时间、双冲量轨道转移时间与终端停泊时间。     

空间交会近程导引段控制方法与控制算法

阐述了空间交会近程导引段控制方法与控制算法。停泊点转移控制采用终端控制法,以终点标称状态为控制目标;停泊点位置保持应用轨迹控制法原理。对转移控制,冲量制导的控制目标是终端位置,连续常推力制导的控制目标是终端位置和速度,可应用不同控制方式,对转移时间有不同影响。模拟计算结果表明,提出的控制方法及其算法是有效的。     

基于有限Fourier级数的航天器转移轨迹设计

针对航天器小推力转移轨迹的初始设计问题，利用基于三阶Fourier级数的设计方法实现了航天器小推力的多圈转移。同时，基于有限Fourier级数的形状法，对具有多个约束条件的小推力多圈转移轨迹进行了优化设计。选取了共面同轴同偏心率的初始和末端轨道位置，对所提出的方法进行了仿真验证。结果表明：与改进逆五阶多项式形状法相比，所提出的方法虽然增加了转移时间，但当转移圈数为5圈、有限Fourier级数的项数为10时，可减少将近75%的转移速度增量，同时大大减小了所需的最大推力加速度的值。     

微纳卫星L1点Halo轨道转移轨道设计

针对地月空间探测任务的高风险、高成本,提出了利用微纳卫星完成地月空间环境监测、未知空间探索及地月空间动力学验证的方案,从而为未来建立地月空间运输系统建立良好基础。借助地月空间三体动力学和小推力轨道设计中的直接法,设计了针对微纳卫星的低能耗地月转移方案。结果表明:微纳卫星借助火箭上面级,从GEO轨道出发飞向L1点Halo轨道,所需速度增量为1.033 km/s,转移时间为40.02 d;不借助火箭上面级,所需速度增量为1.397 5 km/s,转移时间为48.7 d。     

航天器交会绝对导航向相对导航过渡阶段的分析与设计

对航天器交会寻的段不同的机动模式,考虑相对导航最远联络距离、最晚联络开始时间以及最早轨道圆化机动时间等约束条件,阐述绝对导航向相对导航的过渡阶段(即介于调相段与寻的段之间的漂移段)的设计问题,包括漂移段终点与相对导航联络点位置的确定以及漂移段起点位置偏差分析,建立了漂移段起点标称位置与调相段机动速度偏差的关系式,给出漂移段起点标称位置范围及调整方法。     

基于准流形方法日地系L3点转移轨道设计

针对深空探测中轨道转移时间长且能量消耗较大的问题,提出基于准流形实现从地球停泊轨道到日地系L3点转移轨道的设计方法。在日地限制性三体问题模型下,在L1点或L2点Halo轨道上施加扰动推力,构造准流形,利用其非线性三体动力学特性,通过霍曼转移轨道与近地轨道进行拼接,使航天器进入准流形后能够无动力滑行到L3点附近区域。在准流形与L3点周期轨道交点,施加速度脉冲,使航天器进入相应周期轨道,从而完成轨道转移。仿真结果表明,利用该方法所得结果与基于不变流形的转移轨道相比,能将速度增量从4398m/s减少为4014m/s,并将转移时间从9年以上缩短到7.3年以内,有效地提高了航天器的工作效率。     

太阳帆航天器编队维持和重构的方法研究

针对高面质比航天器可以利用太阳光压进行轨道控制的特点,本文提出一种太阳帆航天器编队构型维持和重构的方法.该方法通过控制主从航天器太阳帆姿态角和反射系数,调整主从航天器之间的光压差,产生抵消编队成员间相对运动受到摄动差或进行轨道机动时所需的连续小推力,从而实现编队构型的维持和重构.仿真结果表明,在主航天器太阳帆的姿态角和反射系数相对固定的条件下,对于太阳同步轨道上的高面质比太阳帆航天器编队,使用滑模控制方法,能够调整编队中从航天器太阳帆的姿态角和反射系数产生推力抵消摄动力影响,达到长期维持太阳帆航天器编队构型的目的;通过开环控制方法,能够调整编队中从航天器太阳帆的姿态角和反射系数产生连续小推力,在较长时间周期内实现编队重构.     

航天器交会远程快速自主制导方法

针对近地近圆轨道航天器交会任务,设计了基于经典轨道要素的远程快速自主制导算法.对于任意初始纬度幅角偏差的远程导引,通过建立纬度幅角偏差与半长轴偏差的关系,将远程导引段分为初始轨道飞行、调相轨道飞行和调整轨道飞行3个阶段.初始轨道飞行进行轨道共面修正和调相机动;在调相轨道飞行期间,进行自然调相以及调相轨道到调整轨道的机动;调整轨道飞行阶段进行追踪航天器的远地点高度和近地点高度的修正,以及再次共面修正.所有变轨机动都以制导脉冲的形式给出,并都在轨道特殊点执行.精确轨道仿真验证了远程快速自主接近制导算法的可行性.     

日晕轨道卫星的转移轨道中途修正研究

由于平动点任务探测器对各种误差源和摄动因素的敏感性,因此必须考虑转移轨道的中途修正问题.以晕轨道近地点入轨的转移轨道为例,进行了初始发射误差的灵敏度分析,提出了三脉冲和四脉冲两种中途修正方案,并且讨论了转移轨道初始误差、导航误差、机动执行误差等误差源和地球摄动、月球摄动、太阳光压摄动等摄动因素对转移轨道修正代价和修正效果的影响.仿真得到了修正时刻和误差量与修正量之间的关系,Monte Carlo仿真结果表明给出的两种修正方案是可行的.     

Optimal station-keeping near Earth–Moon collinear libration points using continuous and impulsive maneuvers

In this study the gravitational perturbations of the Sun and other planets are modeled on the dynamics near the Earth–Moon Lagrange points and optimal continuous and discrete station-keeping maneuvers are found to maintain spacecraft about these points. The most critical perturbation effect near the L₁ and L₂ Lagrange points of the Earth–Moon is the ellipticity of the Moon’s orbit and the Sun’s gravity, respectively. These perturbations deviate the spacecraft from its nominal orbit and have been modeled through a restricted five-body problem (R5BP) formulation compatible with circular restricted three-body problem (CR3BP). The continuous control or impulsive maneuvers can compensate the deviation and keep the spacecraft on the closed orbit about the Lagrange point. The continuous control has been computed using linear quadratic regulator (LQR) and is compared with nonlinear programming (NP). The multiple shooting (MS) has been used for the computation of impulsive maneuvers to keep the trajectory closed and subsequently an optimized MS (OMS) method and multiple impulses optimization (MIO) method have been introduced, which minimize the summation of multiple impulses. In these two methods the spacecraft is allowed to deviate from the nominal orbit; however, the spacecraft trajectory should close itself. In this manner, some closed or nearly closed trajectories around the Earth–Moon Lagrange points are found that need almost zero station-keeping maneuver.     

基于机动力模型的GEO卫星恢复期间定轨

北斗卫星导航系统(BDS)中GEO卫星频繁的轨道机动对高精度、实时不间断的导 航服务需求提出了更高要求, 如何在短弧跟踪条件下提高GEO卫星轨道快速 恢复能力, 是提升导航系统服务精度的关键因素. 针对该问题, 本文提出了基 于机动力模型的动力学定轨方法, 尝试利用高精度的C波段转发式测距数据, 辅 以机动期间的遥测遥控信息建立机动力模型, 联合轨控前后的观测数据进行动 力学长弧定轨. 利用BDS中GEO卫星实测数据进行了定轨试验与分析, 结果表明, 恢复期间需要采用解算机动推力的定轨方法, 联合机动前、机动期间和机 动后4h数据定轨的轨道位置精度在20m量级, 径向精度优于2.5m. 该方 法克服了短弧跟踪条件下动力学法定轨和单点定位中的诸多问题, 提供了解决 GEO卫星机动后轨道快速恢复问题的技术方法.      

嫦娥一号卫星的地月转移变轨控制

文章阐述了嫦娥一号卫星地月转移阶段(从星箭分离到进入使命轨道)的高可靠、高精度自主变轨控制方案,介绍了飞行轨道、轨控策略及控制参数优化、星上自主变轨控制的系统设计和相关参数的地面标定等,给出了在轨飞行试验的验证结果。     

H-reversal trajectory: A new mission application for high-performance solar sails

The aim of this paper is to quantify the performance of a flat solar sail to perform a double angular momentum reversal maneuver and produce a new class of two-dimensional, non-Keplerian orbits in the ecliptic plane. For a given pair of orbital parameters, the orbital period and the perihelion distance, it is possible to find the minimum solar sail characteristic acceleration required to fulfil a double angular momentum reversal trajectory. This problem is addressed using an optimal formulation and is solved through an indirect approach. The new trajectories are symmetrical with respect to the sun-perihelion line and exhibit a bean-like shape. Two main difficulties must be properly taken into account. On one side the sail is required to perform a rapid reorientation maneuver when it approaches the perihelion. Suitable simulations have shown that such a maneuver is feasible. In the second place the new trajectories require the use of high performance solar sails. For example, assuming an orbital period equal to 5 years, the required solar sail characteristic acceleration is greater than 3.4 mm/s². Such a value, although beyond the currently available sail performance, is comparable to what is required by the original concept of H-reversal maneuvers introduced by Vulpetti in 1996.     

Hierarchical global search for fuel-optimal impulsive transfers between lunar libration orbits

The attention to the periodic orbit in the Earth-Moon restricted three-body system continues to grow due to its special environment and locations. This research investigates the feasibility of constructing fuel-optimal single and multiple impulse transfers between unstable periodic orbits at L₁ and L₂ points. Invariant manifolds, which could provide the appropriate initial trajectories for optimization, are analyzed deeply to enable previously unknown orbit options and potentially to reduce mission cost. A global search strategy based on comparing the orbital state of the unstable and stable manifolds, incorporated with low-thrust techniques, is performed to seek a suitable matching point for maneuver application. Then the sequential quadratic programming (SQP) is adopted to further optimize the velocity increment and obtain the single/multiple impulse optimal transfers. The associated constraint gradients are derived to achieve higher accuracy and rapidity of the algorithm. To highlight the effectivity of the transfer scheme, three-dimensional low-energy transfers between different types and spatial regions of performing single and multiple impulses are explored. The total Delta-V required varies between a few meters per second and tens of meters per second, and the related flight time is about several weeks, mainly depending on the energy of periodic orbits and the invariant manifold structure. The results obtained in this paper can provide a useful reference for the selection of escape and capture site along the manifolds, maneuver magnitude and transfer time.     

基于模糊逻辑的交互式多模型滤波算法

针对交互式多模型（IMM）滤波算法在对反舰导弹的"蛇形"机动方式进行跟踪时收敛速度慢、滤波精度低的问题。在三维空间内,假定目标以匀速直线和"蛇形"机动2种方式进行运动,以相对距离和视线角为观测信息,对IMM滤波算法的模型概率更新模块进行改进,提出了基于模糊逻辑的交互式多模型（FLIMM）滤波算法。通过仿真对比分析,改进后的算法能够有效地提高收敛速度,进而获得更高的跟踪精度。