小卫星编队绕飞构型运动学设计与分析研究

基于运动学的相对运动数学模型,利用物理意义更明确的绕飞方程进行了小卫星绕飞轨道的设计.根据绕飞轨道方程,重点分析了4类常用的绕飞编队构型:同绕飞轨道编队、同面同绕飞中心编队、异面同绕飞中心编队和多绕飞中心编队,总结分析了各种编队轨道设计的约束条件,获得了一般规律性结论.最后通过仿真验证了所提出的绕飞编队轨道设计方法和结论的正确性.     

一种绕飞编队卫星星间链路系统的总体设计方法

为了建立高精度相对定位编队卫星的星间链路,提出了一种基于GPS的绕飞编队卫星星间链路系统设计方法。针对我国首次以InSAR为背景的任务,以某绕飞编队星座星间链路系统总体方案为例,利用STK/MATLAB分析软件,对天线覆盖区与组阵进行了仿真分析,并根据分析结果做了系统优化,包括星间轨道构型、天线设计组阵图、天线安装位置、链路预算、星间通信措施设计分析以及电磁兼容性分析等。结果表明:基于GPS的编队卫星能够从系统角度优化设计建立星间链路,从而完成编队跟飞、绕飞期间的星间通信与测量任务,为卫星建立星座构型、相对定位测量提供了可靠、稳定的传输通道。该设计方法可为同类卫星或其他类型卫星星间链路系统设计提供参考。     

服务航天器主动绕飞观测的建模与控制

围绕服务航天器对目标任意方位绕飞观测操作,提出一种可灵活配置多种相对运动构型的绕飞建模方法。将绕飞分为过渡过程和绕飞过程2个阶段。通过对绕飞过渡过程采用S型速度曲线进行规划,使服务飞行器从任意初始方位平稳地进入绕飞平面。定义轨迹规划坐标系和期望姿态坐标系,将三维绕飞观测转化为二维轨迹设计与期望姿态解算,实现了绕飞观测的降维设计。定义期望绕飞矢量,实现绕飞构型的灵活配置。建立了相对轨道误差动力学模型,将对绕飞轨迹的跟踪控制转化为对跟踪误差的调节器设计。综合考虑轨道、姿态与挠性附件振动间的耦合作用,设计了基于模态观测器的姿轨联合控制律。数学仿真结果表明了该方法的正确性。     

基于自适应控制方法的自主编队构型保持

对受未知干扰的低轨卫星编队构型保持进行了研究.由完整的非线性星间相对运动动力学方程给出用于控制器设计和稳定性分析的跟踪期望编队构型的误差方程,基于Lyapunov稳定性分析推导了干扰估计律,综合干扰估计律、反馈线性化和最优线性二次型控制器设计了自适应控制器,并证明了该自适应控制方法可保证对期望构型跟踪误差的全局渐近收敛.仿真结果表明:该自适应控制器可实现精确的构型保持,同时完成对未知干扰的估计.     

空间目标多星多角度实时近距离三维详查研究

针对现有观测卫星近距离观测研究较少关注详查等任务特性的现状,设计分析了可实时、全覆盖、近距离观测空间目标的卫星编队构型。综合考虑绕飞相对轨道运动、传感器视场参数、旋转目标坐标转换等因素,简化了空间目标模型,将其表面进行网格离散。分析了各网格被单颗观测卫星观测的情况,统计详查覆盖率、详查最短时间,分析不同绕飞距离对任务特性的影响;设计卫星观测光轴转动策略和多星编队协同观测策略,通过数值算例分析不同策略对卫星近距离观测任务的影响。结果表明:所设计的绕飞编队观测构型可满足实时、全覆盖观测空间目标的要求,可应用于绕飞监测、协同操作等近距离空间在轨操作任务。     

辐射开环空间绳系机器人编队动力学及控制

提出了一种新型辐射开环空间绳系机器人编队系统,其在编队稳定性、任务灵活性及燃料消耗等方面具有明显的优势。针对辐射开环空间绳系机器人编队系统自旋运动过程中的构型误差控制问题,首先建立了编队系统的自旋动力学模型;然后分析了空间绳系机器人的绳系拉力和空间平台的自旋扭矩对编队系统自旋运动中出现的构型误差的控制能力;设计了一种依靠空间绳系机器人绳系拉力和空间平台自旋扭矩作为控制量,对构型误差进行控制的协调控制方法;最后通过数字仿真进行了校验和分析。仿真结果表明：设计的协调控制方法能够明显改善编队系统自旋运动中构型误差的控制效果。     

异构多星电磁编队静态构型设计与保持控制

针对异构多星电磁编队的空间静态构型设计,提出采用精确电磁力模型进行非线性修正的方法,解决了传统方法中由远场电磁力模型造成的构型求解误差问题。考虑编队静态构型设计存在待优化参数较多的问题,基于轨道相对运动方程与电磁力内力特性,可以推导一组关于编队各星质量与空间分布的静态构型必要条件,提出了一种参数降维的四面体构型设计方法,并基于所建精确电磁力模型,对静态构型解进行了非线性修正。针对编队闭环控制问题,设计了包含摄动前馈的滑模控制器,并使用精确电磁力模型修正磁矩,提高了磁矩分配的准确性。仿真结果表明,设计的四面体构型能够满足力和力矩平衡方程,基于精确电磁力模型的修正方法有效提升了构型设计与控制精度。     

伴随卫星接近绕飞的轨道控制方法研究

针对伴随卫星以共面方式接近目标星飞行、并最终实现共面绕飞这一 问题进行了研究。提出了通过轨道调相控制实现轨道接近,并且兼顾实现绕飞轨道构型参数 的方法。仿真实例表明,提出的接近绕飞轨道控制方法成功地实现了伴随卫星相对目标星的 接近和绕飞,很好地达到了绕飞轨道构型的参数指标要求。
     

基于伪谱同伦算法的编队飞行任务设计研究

针对编队飞行中多个从星飞行任务设计问题,研究了用伪谱同伦算法对其进行优化的方法,以获得小推力时的最省燃料转移轨道。将无推力的转移轨道作为初始轨道,用伪谱法对其进行优化,使其转移轨道能量最优,所得轨道可作为初值,解决了同伦算法对初值敏感的问题。再用同伦算法进行优化,降低了间接法求解最优控制问题的难度,得到最省燃料轨道,解决了求解Bang-Bang控制产生的不光滑性。对运行于高度400km近地圆轨道上3颗完全相同的从星算例进行了求解,构建轨道跟飞/领飞构型的最省燃料轨道。结果表明:伪谱同伦算法能较大幅度节省燃料,对求解编队飞行从星转移轨道设计可行且有效。     

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。     

椭圆轨道交会、悬停与绕飞的全状态反馈控制

面向大椭圆轨道航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,对大椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,采用幂级数法分别在脉冲推力和常值推力作用两种情况下对系统进行了近似求解。通过对系统解的变换以及对系统状态的重构,给出了大椭圆轨道上的三种交会制导律。脉冲推力作用假设下的脉冲制导类似近圆轨道的Hill制导方法。常值推力作用假设下的全状态反馈制导律则在交会制导、相对悬停和循迹绕飞控制的过程中实现了对相对位置和相对速度的同步控制。通过构造新的系统状态,改进的变系数全状态反馈制导律提高了相对速度的制导精度,降低了相对制导过程中的最大轨控加速度。三种制导律的制导效果通过数学仿真进行了校验和比较,文中给出的方法实现了椭圆轨道上相对交会制导、悬停保持和循迹绕飞控制。     

轨道交会、悬停及绕飞控制的解析解方法

面向航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,分别对近圆、椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,在常值推力作用假设下进行了相对运动的解析求解。采用模型预测的方法获得航天器相对位置和相对速度的预期偏差。通过广义逆变换构造关于预期偏差的最小范数、最小二乘全状态反馈控制器。提出了一种普遍适用于近圆、椭圆轨道,可以实现轨道交会、相对悬停保持和循迹绕飞,对相对位置和相对速度进行同步控制的高精度、高稳定度相对制导律。仿真结果校验了方法的可行性和有效性。     

一种用于非合作目标惯性指向轴位置捕获的绕飞方法

本文提出一种用于非合作目标惯性指向轴位置捕获的绕飞方法。该方法依据实时相对位置和目标位置确定绕飞坐标系;在绕飞坐标系中,分别采用扇形轨迹和直线轨迹设计了两类接近轨迹规划策略,利用相对位置和目标位置间的夹角进行规划策略选择,以规划得到过渡目标位置,并采用CW制导进行过渡目标位置的接近控制;为保证绕飞过程中相对测量敏感器始终有效测量,还设计了姿态指向控制律使追踪航天器x轴指向目标航天器。数学仿真校验了所设计方法的有效性。     

基于滚动优化和微分Theta-D方法的快速绕飞航天器姿轨协同控制

针对近距离快速绕飞的视线保持要求和姿轨耦合特点,研究航天器姿轨协同最优控制方法。建立了六自由度相对运动耦合非线性模型,偏心推力矢量同时提供位置和姿态控制能力;考虑到近距离相对运动对动态性能的高精度要求,不同于无限时域经典Theta-D方法,提出了一种包含终端状态约束的滚动优化有限时域最优控制快速解算方法,推导了中间过程微分Riccati方程和微分Lyapunov方程的横截条件。控制器设计充分考虑了有限脉冲小推力器和有限力矩输出装置的约束。对近距离快速绕飞的仿真结果说明了方法的有效性,所提方法在保证相对运动稳定和动态性能的前提下控制输出幅值小,具有工程实际意义。     

交会对接绕飞段双冲量控制方法研究

在设计交会对接绕飞段的制导方案时,除考虑燃耗因素外,轨迹安全性设计指标也应予以满足。本文基于C-W方程的经典双冲量控制策略应用于绕飞段,在以往固定时间的双冲量控制研究的基础上,分别以燃耗、轨迹被动安全性、任务恢复执行能力和初始状态偏差作为独立约束条件,利用MATLAB计算机寻优,得到逐个独立约束下的控制时间的范围,同时采取逐层缩小的方式,最终获得了满足绕飞段轨迹安全性的设计要求以及满足多种约束条件的一种可以作为绕飞段优选的控制策略的双冲量控制方法。     

等质量立体五星库仑编队飞行的分析与控制

分析了立体五星编队在静电力和万有引力作用下的静态构型。分别讨论了五星编队在共线和平面情况下的静态构型,着重研究了五星构成立体双直角六棱锥构型时各个卫星所带的静电荷量。由于地球同步轨道的卫星所受到的作用力不仅是万有引力与静电库仑力,还有空气阻力等摄动力,因此只有对其施加控制,卫星才能在静态平衡点保持编队构型的稳定性。本文采用线性二次型最优控制方法来保持编队的静态构型稳定,并通过Matlab实现了五星立体库伦编队飞行控制仿真。     

典型再入返回器气动特性对比与改进研究

返回器气动特性研究对宇宙飞船的研制起着先导和制约作用。文章对Apollo、CEV和类Soyuz这3种典型的轴对称钝头体再入返回器气动布局进行了气动特性的对比分析,发现与Apollo、CEV相比,类Soyuz外形的升阻比偏小,无法满足以第二宇宙速度载人空间再入返回的要求。在此基础上研究了几何参数（包括倒锥角和球冠半径）变化对类Soyuz外形返回器气动性能的影响规律,从中得到类Soyuz外形的改进方向,提出了一种以类Soyuz外形为基础的改进设计外形,并对该外形的升阻特性、稳定性和配平特性等相关气动特性进行了分析。研究表明通过对几何外形参数的调整优化来提高类Soyuz外形的升阻比,从而达到以第二宇宙速度再入返回的升阻比要求,这样的技术途径是可行的。     

身-翼-舵组合体高超声速变攻角颤振计算

推广和发展了原来只能用于二维升力面的当地流活塞理论,形成可解决包括弹身、弹翼、舵面、身-翼组合体、身-翼-舵组合体大攻角颤振计算的新方法。其中气动力计算采用CFD数值仿真与工程算法相结合的方法,求解结构运动方程时则利用状态空间法进行时域仿真。对某身-翼-舵组合体型号的计算表明该型号颤振动压随马赫数和攻角都呈现先增加后下降的变化趋势;在大马赫数和大攻角作用时,颤振动压有明显的下降;在较小攻角状态下颤振动压不降反升,与传统文献报导单独分枝颤振动压随攻角增大而单调下降不同,表明复杂外形组合体的气动弹性稳定性受到多种因素的共同作用,颤振特性更加复杂。计算结果表明弹体稳定性与飞行姿态相关,同时也证明了本文方法在高超声速复杂外形飞行器提气动弹性分析中的有效性。     

基于相对轨道根数的航天器编队控制三冲量方法

在采用相对轨道根数描述航天器编队构形的基础上,把航天器平面内编队控制问题转化为航天器交会问题,根据编队构形的几何参数得到解决问题的三冲量控制方法,该方法具有燃料消耗少且只需沿航迹向安装推力器,便于工程应用的优点.最后对推力器的推力大小偏差、方向偏差对编队构形的尺寸以及相位控制精度的影响进行了理论分析.     

编队队形的等交点周期设计方法

在分析编队构形一般设计方法设计效果的基础上，提出一种等交点周期法，对一般方法进行了改进。该法编队中卫星以一个相等的角速率运行在轨道上，能实现长期的编队飞行，并给出了编队设计算例及J2摄动下的队形演变，仿真表明，用等交点周期法设计的构形，能部分地消除J2摄动的影响。