月面起飞快速交会远程导引制导律设计

针对月面起飞后的快速交会远程导引任务,设计一种基于高斯摄动方程的双脉冲制导策略.首先推导了轨道修正的控制方程,然后结合远程导引的时间约束方程推导出了双脉冲制导的非线性方程组.为了获得速度增量最小解,设计规划变量,将非线性方程组的求解问题转化为非线性规划问题,并通过序列二次规划算法对最优解进行求解.为了提高制导精度,采用迭代修正的方法对制导过程进行优化.最后,通过数据仿真,对基于高斯摄动方程的双脉冲制导策略的正确性进行校验,并与Lambert直接转移策略进行了比对.仿真结果表明,相比于Lambert直接转移制导策略,基于高斯摄动方程的双脉冲制导策略可以有效地完成快速交会远程导引任务,制导精度和燃料消耗得到了改善.     

近圆轨道卫星编队捕获技术研究

基于近圆参考轨道的假设,研究处于同一入轨点多颗卫星的编队捕获方法.首先由高斯型拉格朗日轨道摄动运动方程得到轨道坐标系中控制冲量与轨道根数偏差的关系,基于近圆轨道的条件简化并带入相对运动方程,得到控制冲量与相对运动的关系表达式;通过深入分析各个方向(径向、沿迹向与轨道面法向)的控制冲量对相对运动的影响,给出了分别用径向与轨道面法向控制冲量组合和沿迹向与轨道面法向控制冲量组合实现编队捕获的两种控制策略;最后给出了一个空间圆编队捕获实例,并从燃料消耗、施加冲量次数及捕获时间等角度对比研究了两种控制策略的特点.仿真结果表明,这两种控制策略简单、实用,能够较好地解决近圆轨道卫星编队的捕获问题.      

航天器轨道交会迭代制导算法

针对航天器轨道交会的脉冲推力模型与实际发动机连续推力模型不相符的问题,研究一种脉冲变轨策略的工程实现方法,使脉冲变轨策略可应用于工程实际.基于Lambert飞行时间定理和遗传算法,研究航天器最优脉冲变轨策略.根据脉冲变轨优化的结果,采用迭代制导算法研究脉冲变轨工程化问题.仿真结果验证了迭代制导算法在航天器轨道交会中的有效性.     

平均相对运动方程及其在卫星编队构型维持中的应用

针对近地轨道卫星相对运动过程中的周期变化特性,利用轨道周期平均方法给出了平均相对运动方程,并在此基础上设计了两种编队构型维持策略.首先,推导出以轨道根数差分表示的平均相对运动方程,该方程能有效消除相对运动的周期性变化.其次,针对大气阻力摄动和J2项摄动,利用轨道平均根数的线性化递推公式,给出了平均相对运动轨迹的预报方程,通过事先预报编队飞行的平均轨迹,为编队构型设计和保持控制提供参考依据.最后通过数学仿真对两种编队构型维持策略进行了验证.     

微小卫星编队飞行解析构型维持控制方法

编队构型维持是卫星编队飞行的基础.J2摄动和大气阻力是影响近地轨道卫星编队构型的主要摄动力,通常导致星间相对速度的长期变化,从而造成编队构型发生漂移.本文针对近地轨道卫星编队飞行,基于平均化的思想,采用平均相对速度表示编队构型漂移率,推导了平均相对速度与脉冲速度增量之间的解析表达式.通过引入平均相对加速度,将摄动力下的相对运动等效为匀变速直线运动.将其与单边极限环控制方法结合,提出一种基于星间测距信息的解析构型维持控制策略.仿真结果表明,该解析算法简单有效,易于工程实现,尤其适合微小卫星的星间自主控制.      

编队飞行卫星群构型保持及初始化

导出了基于相对轨道要素的编队飞行卫星群轨道相对运动控制的轨道机动方程；提出了编队飞行卫星群轨道相对运动控制的轨道机动控制策略，利用不同方向的脉冲控制相对运动的轨道参数，包括轨道平面内机动和轨道平面外机动控制。根据相对轨道要素的变轨机动控制，进行编队飞行卫星群构型的初始化。这样的构型初始化可以视作一次特殊的变轨机动控制，很容易实现编队飞行构型的初始化机动。     

基于T-H方程的多脉冲最优交会方法

针对椭圆参考轨道交会问题,采用T-H方程描述相对运动,提出了一种时间固定燃料最省的多脉冲最优交会方法,优化参数为交会脉冲及其施加时刻.当考虑到J2摄动或航天器初始相对距离较大时,用T-H方程进行状态预测其线性化误差一般不容忽略,而若用轨道积分预测则耗时较多,进而导致优化时间过长.针对此问题,提出一种采用前一优化脉冲节点的状态导出的轨道根数预测当前节点状态的预测方法.该方法简单实用,有效地加快了优化收敛速度.最后基于多脉冲优化解进行了数值轨道积分以验证交会精度.仿真结果表明,即使加上J2摄动,在初始相对距离为1 000 km时,该方法的终端位置精度仍能达到75 m.     

基于摄动能量匹配条件的椭圆参考轨道伴飞构型设计

针对.J2摄动下椭圆参考轨道的稳定伴飞问题,提出了.J2摄动下的能量匹配条件,给出了迹向相对速度和径向相对位置的迭代设计方法,并设计了一种新的椭圆参考轨道伴飞构型.在此基础上,利用J2摄动下的能量匹配条件给出了计算伴飞初始相对状态的方法,并基于拉格朗日乘子法给出了位置保持脉冲的解析表达式,以获得形成稳定伴飞的初始相对状态和位置保持脉冲.仿真表明满足摄动能量匹配条件能形成稳定的伴飞构型,采用新的伴飞构型及其设计方法能明显减小分离距离的设计偏差.     

基于摄动能量匹配条件的椭圆参考轨道伴飞构型设计

针对J2摄动下椭圆参考轨道的稳定伴飞问题,提出了J2摄动下的能量匹配条件,给出了迹向相对速度和径向相对位置的迭代设计方法,并设计了一种新的椭圆参考轨道伴飞构型.在此基础上,利用J2摄动下的能量匹配条件给出了计算伴飞初始相对状态的方法,并基于拉格朗日乘子法给出了位置保持脉冲的解析表达式,以获得形成稳定伴飞的初始相对状态和位置保持脉冲.仿真表明满足摄动能量匹配条件能形成稳定的伴飞构型,采用新的伴飞构型及其设计方法能明显减小分离距离的设计偏差.     

载人月球极地探测定点返回轨道设计

针对载人月球极地探测任务,对定点返回轨道优化设计问题进行了研究。根据月球极地轨道的特性,介绍了三种返回轨道机动方案。结合三脉冲变轨方案,采用了从初步计算到精确计算的串行求解策略,对定点返回轨道进行优化设计。初步计算阶段,建立了基于近月点伪参数的三段二体拼接模型,将三脉冲机动段与月球逃逸段解耦,求解轨道初值;精确计算阶段,提出了两段拼接方法,分别进行逆向和正向高精度数值积分。经过仿真测试,验证了该策略求解的有效性和准确性。最后,通过大量的仿真计算,分析了定点返回轨道的特性。研究结论对未来载人月球极地探测定点返回轨道方案的设计具有重要的参考价值。     

利用大气阻力的横向编队维持控制

研究了航天器在近圆轨道面内横向固定间隔距离内伴飞编队维持问题。基于经典轨道要素偏差法分析了相对运动特性和大气阻力对相对运动的影响。根据利用大气阻力引起的横向相对运动漂移,设计了有利于长期伴飞编队维持的初始半长轴偏差和伴飞边界点的期望半长轴偏差,进一步给出了进行伴飞维持的边界点横向速度脉冲。仿真结果表明,该控制策略进行伴飞编队维持是可行的,维持所需的速度脉冲次数少、速度增量小,且算法简单,有利于航天器自主化实现。     

Effects of in-track maneuver on Sun illumination conditions of near-circular low Earth orbits

By developing approximate analytical models considering the J₂ perturbation, the effects of an in-track maneuver on the orbital Sun illumination conditions of near-circular low Earth orbits are analyzed. First, two approximate models for the variations in orbital sunshine angles are developed, one for variations at a given time and the other for variations at a given argument of latitude. Next, two approximate models for variations in orbital arc in Earth shadow are developed, one considers the small eccentricity and the other uses the zero eccentricity. Finally, the developed approximate models are applied to analyzing the Sun illumination conditions of a typical in-track maneuver mission on a near-circular low Earth orbit. From the results obtained, three major conclusions can be drawn. First, the variations in orbital sunshine angles at a given time may reach tens of degrees when the drifting time reaches hundreds of orbital periods, and the approximate model for that situation cannot effectively approach the numerical results. Second, the variations in orbital sunshine angles for any given argument of latitude are only a couple of degrees even when the drifting time reaches 500 orbital periods, and the approximation model developed can effectively approach the numerical results. Third, for variations in orbital arc in Earth shadow, the approximate model considering the small eccentricity has simple expressions and can effectively approach the numerical results; in contrast, the approximate model using the zero eccentricity has relatively worse precision.     

基于四元数平方根容积卡尔曼滤波的姿态估计

针对飞行器姿态确定中乘性扩展卡尔曼滤波(MEKF, Multiplicative Extended Kalman Filter)在较大初始姿态误差角情况下存在估计精度低及收敛速度慢的问题,提出了一种四元数平方根容积卡尔曼滤波(QSCKF,Quaternion Square-root Cubature Kalman Filter)算法.在推导姿态确定系统四元数非线性误差模型的基础上,采用容积数值积分理论来计算非线性函数的均值与方差,同时使用平方根的形式来提高数值稳定性;针对四元数规范化问题,采用拉格朗日代价函数法求解四元数加权均值.仿真结果表明:在初始姿态误差较大的情况下,该算法相比较于MEKF以及无迹四元数估计法(USQUE, Unscented Quaternion Estimator),估计精度高且收敛速度快,滤波稳定性好,同时估计时间比USQUE缩短了1/3.     

Boundedness of Formation Configuration for Nonlinear Three-body Dynamics

The configuration boundedness of the three-body model dynamics is studied for Sun-Earth formation flying missions. The three-body formation flying model is built up with considering the lunar gravitational acceleration and solar radiation pressure. Because traditional linearized dynamics based method has relatively lower accuracy, a modified nonlinear formation configuration analysis method is proposed in this paper. Comparative studies are carried out from three aspects, i.e., natural formation configuration with arbitrary departure time, initialization time and formation configuration boundedness, and specific initialization time for bounded formation configuration. Simulations demonstrate the differences between the two schemes, and indicate that the nonlinear dynamic method reduces the error caused by the model linearization and disturbance approximation, and thus provides higher accuracy for boundedness analysis, which is of value to initial parameters selection for natural three-body formation flying.      

Two-level optimization approach for Mars orbital long-duration,large non-coplanar rendezvous phasing maneuvers

A relative dynamics equation-set based on orbital element differences with J₂ effects is derived, based on which a two-level approach is proposed to optimize the Mars orbital rendezvous phasing with a large difference in the initial ascending node. The up-level problem uses the revolution deviation between the target spacecraft and the chaser as the design variable, and employs a linear search to find the optimum. The low-level problem uses the maneuver revolutions, locations, and impulses as the design variables, and is solved using a hybrid genetic algorithm combined with sequential quadratic programming. To improve the solution accuracy, an iteration method is developed to satisfy the terminal constraints of the absolute numerical integration trajectory. Test cases involving Mars sample return missions with large initial node differences are presented, which show that the relative dynamics, two-level optimization model, and hybrid optimization algorithm are efficient and robust. Compared with previously published results, the total velocity increment has been further reduced by utilizing this proposed approach. It is found that a five-impulse plan requires the least quantity of propellant, and a propellant-optimal minimum rendezvous duration exists for this long-duration, large non-coplanar rendezvous problem.     

角速率输入条件下圆锥误差补偿算法

针对捷联惯导系统中利用角速率拟合角增量进行圆锥误差补偿精度下降和实时性变差的问题,提出了一种直接利用陀螺的角速率输出进行圆锥误差补偿的算法,利用角速率的叉乘项来拟合圆锥误差补偿项,并推导了四子样圆锥误差补偿算法的具体表达形式,并从本质上阐述了圆锥误差的存在机理。在典型圆锥运动条件下通过对所提算法的仿真并和理论解析解的做差比较,验证了所提算法的可行性和有效性。