日地系统拉格朗日点航天器编队飞行现状与关键技术

深空探测可以帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状,进一步认识地球环境的形成和演变,认识空间现象和地球自然系统之间的关系,因而具有重大的科学与技术意义。由于日地系统拉格朗日点附近的航天器编队适宜进行深空观测等科学使命,所以日地系统拉格朗日点航天器编队飞行技术就成为深空探测的重要技术之一。本文通过分析美欧若干日地系统拉格朗日点编队飞行使命,介绍了该项技术的发展现状,分析了拉格朗日点在深空探测中的战略地位,总结了日地系统拉格朗日点编队飞行的关键技术,并对这些关键技术进行了分析。     

高低轨双星时频模糊雷达信号的频差估计算法

针对高低轨双星定位系统中，雷达信号定位参数估计结果同时存在时差与频差模糊的问题，分析了相参脉冲串信号的模糊特性；利用粗略配对的脉冲串获得到达时间差序列，避免了对时域高度密集的脉冲进行配对的难题；在此基础上，提出了对时差序列进行中心差分计算频差粗估值实现频差模糊消除的方法；推导得出了频差粗值误差随着辐射源载频的增加、脉冲到达时间测量误差的增大、时差差分间隔的减小而增大的结论。仿真结果表明，频差粗值误差与理论值一致；通过设置合理的差分间隔，得到无模糊的频差粗值以后，频差精估精度逼近CRLB。新算法便于工程实现，对长基线定位系统中雷达信号的频差估计具有一定参考价值。     

一种立方星编队重构多脉冲机动规划方法

针对立方星轨道机动能力约束,提出一种基于相对轨道根数动力学模型的多脉冲机动规划算法。对于相对轨道面内各分量之间的控制耦合问题,基于“先控制相对形状、后修正迹向距离”的策略,提出了满足速度增量约束的多脉冲机动规划算法;分析了近地轨道 J 2 摄动和大气阻力摄动对相对轨道的影响,并基于线性化的状态转移模型提出了迭代优化策略,以降低立方星在摄动影响下的轨道机动误差。仿真结果表明,所提出的多脉冲机动规划算法在不同任务条件下均可获得有效的机动规划,迭代优化策略可有效地提高终点位置的精度,在基于高精度轨道递推搭建的任务仿真中也验证了算法的有效性,可用于立方星编队构建和重构任务。     

航天器多脉冲悬停控制的非线性方法

为解决连续推力空间悬停控制技术对航天器控制推进系统要求较高、工程上难于实现的问题,提出基于Clohessy-Wiltshire方程的多脉冲悬停控制方法。以轨道要素外推的飞行状态非线性预测方法和脉冲悬停控制量优化算法,对悬停脉冲进行了优化,可以实现主动航天器在目标航天器附近任意点的近似稳定悬停。给出的多脉冲悬停控制方法及控制量非线性优化算法考虑了地球非球形引力摄动J2项影响,补偿了Clohessy-Wiltshire方程的线性化误差,能有效提高悬停精度。仿真结果表明,多脉冲悬停控制方法的燃料消耗与连续推力悬停方法相比没有明显增加,不会对主动航天器带来过大的燃料消耗压力。     

J2项摄动条件下线性化的编队卫星动力学方程

考虑J2项摄动力对参考卫星轨道的绝对影响和对伴随卫星轨道的相对影响,应用拉格朗日方法,在笛卡尔坐标系下,给出了一组考虑J2项摄动的线性化的编队卫星相对动力学方程。该方程考虑了J2项摄动力带来的相对运动平面内外的耦合和短周期项的影响,有效地提高了相对动力学模型的精度。仿真结果表明,该方程组可有效地描述J2项摄动条件下编队卫星的相对运动,其误差只有二体非线性模型的10%,利用其设计的水平圆编队半径的相对误差不超过1%,并且由于是线性化的微分方程描述,可方便地应用到编队卫星导航、制导与控制系统的设计中。     

基于零J_2摄动条件的近圆轨道编队保持双脉冲最优控制方法研究

重点研究了考虑J2摄动作用的近圆轨道编队构形保持双脉冲最优控制策略.利用轨道要素法建立了考虑J2摄动作用影响的相对运动方程,推导了消除相对摄动影响长期项的零J2摄动条件,并利用该条件对C-W方程得到的编队初始条件进行了修正,得到了对J2摄动不太敏感的相对轨道.然后,基于C-W方程建立了编队保持双冲量最优控制模型,并利用非线性规划方法得到了编队保持所需的最优控制脉冲.仿真结果表明,J2项摄动对相对运动的破坏作用明显减小,提出的双脉冲最优控制方法能够有效实现编队保持的高精度控制.     

库仑力卫星编队动力学建模及基本稳定条件分析

分析了空间德拜屏蔽效应对库伦力编队应用范围的影响,根据库伦力编队静止轨道最佳应用前提,建立了基于拉格朗日方程的地球同步轨道库仑力卫星编队动力学模型并对其进行简化,讨论了沿地心和沿轨道面法线方向存在两星库伦力编队稳定构形的基本平衡条件。仿真结果表明:为提高库伦力编队效率以节约能源,应减小编队距离,减轻卫星质(重)量,同时尽可能增大卫星外表面体积。     

卫星编队连续推力控制的燃料平衡方法

在卫星编队飞行中,编队重构等机动过程会导致整个编队卫星之间燃料消耗不均匀,甚至出现某一成员卫星燃料消耗完,而导致整个编队构型提前结束乃至任务失败。针对该问题,文章提出了在卫星编队轨道重构过程中可采用的一种燃料平衡方法,即基于连续推力控制,以燃料最优为控制目标,通过建立燃料消耗函数,推导了不同相位角及重构半径时的最优控制加速度,通过减小各从星之间的燃料消耗函数的差异,使得不同成员卫星燃料消耗差别最小。编队卫星燃料平衡程度取决于初始相位角,文章给出了最佳初始相位角的表达式。最后,对以一主二从的三星编队在从星轨道重构中的从星燃料平衡问题进行了仿真,分别验证了卫星编队连续推力控制方法和编队卫星燃料平衡方法的正确性和有效性。     

编队重构的双脉冲燃料最优控制

基于Hill方程导出了四种典型编队重构的双脉冲控制算法，并揭示了编队重构时具有如下性质：椭圆编队膨胀或收缩时，在燃料最优脉冲作用下伴随卫星期望的相对位置矢量与同一时刻不施加冲量时的相对位置矢量方向相同；不同膨胀系数时施加脉冲的时刻不变，最优的燃料消耗与膨胀变化量成正比；钟摆式编队膨胀时转移轨迹在参考轨道平面内是轴对称的。最后用仿真验证了算法的有效性。     

编队卫星碰撞规避方法研究

对编队卫星碰撞规避方法进行了研究。通过递推编队卫星的初始状态协方差阵,将碰撞概率密度函数在危险区域积分获得编队卫星的碰撞概率。当碰撞概率大于安全阈值时,向卫星施加最小脉冲速度修正量Δv,在垂直于终止时刻相对速度的平面机动一定距离以降低碰撞概率。仿真结果表明:用计算的碰撞概率能较好地预测编队卫星的潜在碰撞危险,所选机动策略有效。     

Research on constellation refueling based on formation flying

A new scheme for refueling satellite constellation is proposed in this paper. Compared with the traditional research, where the satellite refueling is implemented through spacecraft rendezvous and docking, the new pattern studied here is based on formation flying, and it is more feasible, safer and more reliable. On the grounds of the proposed pattern, two refueling strategies are studied. The first is called single supplier refueling (SSR) based on formation flying. In this scenario, one fuel-sufficient satellite called a supplier, departs from its parking orbit, and after a series of orbit maneuvers, arrives at the target constellation that consists of multiple fuel-deficient satellites called workers. It then transfers equal fuel to each worker within the prescribed mission time. The second strategy is called double suppliers refueling (DSR) based on formation flying. This time two suppliers take charge of refueling half of the workers respectively in the same way as SSR. Using a genetic algorithm, the orbit of a supplier with a minimum consumption of fuel can be obtained once the mission time is fixed. Simulation results indicate that DSR is superior to SSR and that this dominance will be more distinct as the number of workers increases and the mission time decreases.     

人工拉格朗日点附近的被动稳定飞行

利用太阳帆能在三体问题中实现人工拉格朗日点,人工拉格朗日点克服了经典拉格朗日点位置固定的缺点,研究人工拉格朗日点的被动控制对深空探测有重要的意义。理论上人工拉格朗日点都不稳定,研究表明在被动控制下存在某些人工拉格朗日点的稳定特性与稳定平衡点非常接近,在工程上可以认为稳定。被动控制可以通过设计太阳帆来实现,本文给出了被动稳定太阳帆的设计,在该设计下考虑轨道和姿态的耦合动力学方程。基于该耦合方程研究了人工拉格朗日点的稳定性。仿真结果表明被动太阳帆使得人工拉格朗日点稳定。     

伴飞航天器燃料最优交会

应用遗传算法针对伴飞航天器由共面椭圆伴飞轨道不同位置出发，与中心航天器进行直接碰撞交会和软交会的燃料最优问题，进行了历遍求解。根据计算结果，应用多元线性回归分析得到了直接碰撞最优交会问题的解析解表达式。直接碰撞最优交会问题的解析解可作为软交会问题的次优解。     

利用太阳帆定点探测器在地一月系共线平动点附近的探讨

共线平动点附近的运动仅仅是条件稳定的,探测器的轨道需要经过控制才能维持在其附近.以地-月系11点和12点附近大振幅晕轨道的控制为例,探讨了太阳帆在定点这类探测器中的应用.首先,考虑了月球轨道的偏心率和太阳辐射的影响,给出了太阳帆对日定向的探测器轨道的低阶分析解,并在此基础上构造了在太阳系真实引力模型下一段时间内维持在共线平动点附近的拟周期轨道.然后,给出了两种利用太阳帆的控制方案,一是固定面质比而改变太阳帆法线的方向,另一是固定太阳帆对日定向而改变面质比,并对两种方案分别作了数值模拟.最后,文章探讨了测控误差及地、月影对轨道控制的影响.     

分布式卫星群构形初始化控制策略

构形初始化是分布式卫星控制的重要内容。在绕飞构形归一化描述的基础上，提出了两次脉冲速度增量实现绕飞的两种方案。在一种分层控制结构下，通过两种初始化方案的合理组合，可保证卫星群整体的初始化可在一个轨道周期内完成，从而降低了初始化误差。在对导航和误差特性进行分析后，通过数值仿真，证明了所提方法的可行性。     

空间交会中拉格朗日乘子法的工程应用

为解决工程中直接使用基于C-W方程的双脉冲法和拉格朗日乘子法时远距离导引精度低,以及分段导引过程复杂和可靠性降低等问题,设计了一种新的冲量计算方法。基于原方法适时引入当前状态和误差信息,继承了拉格朗日法运算简单的优点,并将原开环控制改为闭环控制。仿真结果表明,该法提高了导引精度,同时还充分利用多冲量法的特性实现了更大交会时间范围的燃料最优。     

一种基于EPSO的航天器交会轨迹优化方法

研究了航天器在固定时间内燃料最省的多脉冲交会问题,提出了一种基于种群熵粒子群优化 (Population Entropy based Particle Swarm Optimization,EPSO)算法的交会轨迹优化设计方法。采用线性化C\|W方程描述航天器的相对运动,以能耗最优为控制目标,得到了基于连续推力的最优转移轨迹,用于确定脉冲点的位置。考虑工程实用性,采用多脉冲控制方法,利用脉冲点的位置参数建立了以脉冲点时间间隔为决策变量的优化目标函数,并用EPSO算法进行求解。在EPSO中,种群熵描述粒子在搜索空间中位置分布的混乱程度,并通过上一代的种群熵确定下一代的搜索空间,从而减少搜索空间的浪费,提高了算法的搜索速度和收敛精度。仿真结果表明,算法本身具有良好的优化性能,适用于航天器轨迹优化。     

分布式InSAR卫星绕飞角设计与控制方法研究

针对分布式卫星绕飞轨道构型设计与控制问题,提出了基于Hill方程的绕飞构型设计算法,给出了绕飞角与升交点赤经偏差和轨道倾角偏差的关系,并分析了绕飞角的稳定性;根据分布式InSAR卫星绕飞构型特点提出了基于开普勒轨道实现特定绕飞角和绕飞半长轴的双层迭代轨道控制算法。仿真结果表明,上述方法设计的绕飞构型稳定,捕获控制策略简单可行、控制精度高,具有一定的工程参考价值。     

近圆轨道航天器伴随飞行控制方法研究

对近圆轨道上航天器在轨长期伴随飞行的轨道控制方法进行了研究。比较了采用C\|W方 程（Clohess\|Wiltsire）解析解和轨道根数两种方法描述相对运动的相同点和差异。分析 影响航天器长期伴随飞行的各种因素。在总结相对运动规律的情况下设计轨道修正条件,提 出两种伴随飞行的轨道控制方法,并分别对两种方法的控制效果进行理论分析。数学仿真结 果表明两种控制方法都能实现航天器长期伴随飞行,且第二种方法能够较大程度上节省燃料 消耗。