基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述

为统一描述编队飞行卫星中主从星的相对位置和姿态参数,利用对偶四元数,建立编队飞行卫星运动学模型,分析其物理意义,提出了基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述的划船算法,并利用这一算法解算出相对位置和姿态参数,突破了传统方法中将卫星轨道和姿态分而治之的方式。仿真结果表明该算法科学合理,能够有效描述编队飞行卫星间的相对位置和姿态。     

编队飞行的小卫星精确定轨方法的研究

针对编队小卫星间的相对飞行特点，在Hill方程描述编队飞行小卫星间相对运动的基础上，提出利用星间无线电测距的相对自主定轨，来获得环绕小卫星精确轨道的卫星定轨方法。通过具体仿真计算，并与小卫星GPS自主定轨方法相比较。仿真结果表明，此方法确实有效。     

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。     

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.      

编队飞行卫星群相对轨道摄动运动分析

编队飞行卫星群在运行过程中将受到各种摄动因素的影响,相对运动队形可能受到破坏而影响飞行任务的完成。针对中、低轨道编队飞行任务,分析了各种摄动因素对编队卫星相对队形的影响;导出了编队飞行卫星群相对队形的稳定条件;最后,结合稳定条件对典型编队队形进行了分析。     

星间测距对小卫星编队相对轨道状态的修正

相对轨道状态确定是小卫星编队正常工作的基础和重要保障.针对小型化、低成本的星载GPS接收机定轨精度较低的情况,提出一种利用单纯星间测距信息对卫星编队相对轨道进行修正的方法.引入星间测距信息,采用扩展卡尔曼滤波算法提高编队的相对轨道估计精度.通过仿真验证,证实了该方案的有效性.     

EKF/UKF在编队飞行卫星GPS相对导航中的应用

 　航天器编队飞行协调工作,必须精确确定各航天器的相对位置和相对速度,即进行编队飞行相对导航。将扩展卡尔曼滤波(EKF,extended Kalman filter)和非线性滤波unscented Kalman filter(UKF)算法同时应用于编队飞行卫星的载波相位差分GPS相对导航。EKF与UKF算法原理不同,UKF算法的精度比EKF的精度高。在实际应用中,可以将两种算法组成互为备份的相对导航滤波器,这样可提高滤波系统冗余性能。     

编队飞行卫星群相对轨道测量研究

编队飞行卫星群自主式相对轨道测量和确定是绕飞轨道的关键技术之一,考虑了利用星敏感器和雷达以及利用GPS(Global Positioning System)信号来进行相对定轨的传统方式,提出了基于伪卫星技术的定轨方案.伪卫星技术指在卫星上安装载波发生器和接收器,利用这些装置来进行卫星间的距离测量.在这些方案中,应用了差分GPS技术,采用优化方法求解多元非线性方程.这些测量方法分别适应于不同的情况.利用相对轨道要素的概念,在前面测量结果的基础上,通过卡尔曼滤波进一步提高了定轨精度.仿真计算表明这些方案可以满足不同尺度编队构型保持要求,并给出了部分结果.     

编队飞行队形设计一般化方法

首先 ,在合理的假设条件下 ,基于运动学关系推导了环绕卫星相对参考卫星的相对运动方程 ;然后 ,给出了编队飞行队形设计一般化方法的具体计算公式 ,利用此方法 ,能在参考轨道为圆或椭圆轨道的情况下 ,直接求出编队中所有卫星的轨道参数 ;最后 ,给出了两个编队队形设计的算例     

严格回归轨道的管道导航方法研究

分析了作为参考轨道的严格回归轨道与卫星在轨运行状态的相对运动关系,提出近地遥感卫星的管道导航方法。由于参考轨道的设计只考虑高精度的地球非球形摄动,与在轨卫星的动力学环境存在差别,这导致两者之间存在切航向漂移。基于高精度的轨道动力学模型和位置确定方法,设计了卫星与参考轨道采样点的沿航向对齐算法,从而获取了卫星相对参考轨道采样点的相位时间偏差和卫星在参考轨道编队坐标系切航向平面内的相对运动轨迹,进而引入椭圆的“最小二乘适配法”获取相对运动轨迹的特征量。所研究的管道导航方法可应用于基于GNSS测量数据的卫星自主轨迹保持。     

一种卫星天文自主定轨定姿方法研究

利用安装在卫星上的太阳敏感器和紫外敏感器测量出的卫星—太阳、卫星—地球和卫星一月球方向矢量，并利用雷达测高仪测出的地心距作为观测量，提出采用广义卡尔曼滤波方法实时地确定卫星绕地球飞行的轨道，同时确定出卫星的对地姿态．对自主定轨进行了数学仿真，分析比较了采样周期、轨道倾角、轨道偏心率和轨道高度等因素对定轨精度的影响．总结了其变化规律，该方法可用于提高卫星自主定轨精度．     

基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨

提出基于自适应滤波的编队卫星实时相对定轨算法,利用2005-12-09—10两颗GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星的GPS（Global Positioning System）实测数据进行实时相对定轨试验计算,采用JPL（Jet Propulsion Laboratory）轨道对试验结果外部检核,结果表明:①自适应滤波相对定轨通过自适应因子,可以较好地平衡编队卫星的观测信息和相对动力学信息,其相对定轨结果精度优于Kalman滤波相对定轨结果;②自适应滤波相对定轨结果随着星间基线缩短而精度提高;③两颗GRACE卫星采用单频伪距和广播星历进行自适应滤波相对定轨,可以得到精度优于6cm的星间基线。     

Integrated orbit and attitude hardware-in-the-loop simulations for autonomous satellite formation flying

Development and experiment of an integrated orbit and attitude hardware-in-the-loop (HIL) simulator for autonomous satellite formation flying are presented. The integrated simulator system consists of an orbit HIL simulator for orbit determination and control, and an attitude HIL simulator for attitude determination and control. The integrated simulator involves four processes (orbit determination, orbit control, attitude determination, and attitude control), which interact with each other in the same way as actual flight processes do. Orbit determination is conducted by a relative navigation algorithm using double-difference GPS measurements based on the extended Kalman filter (EKF). Orbit control is performed by a state-dependent Riccati equation (SDRE) technique that is utilized as a nonlinear controller for the formation control problem. Attitude is determined from an attitude heading reference system (AHRS) sensor, and a proportional-derivative (PD) feedback controller is used to control the attitude HIL simulator using three momentum wheel assemblies. Integrated orbit and attitude simulations are performed for a formation reconfiguration scenario. By performing the four processes adequately, the desired formation reconfiguration from a baseline of 500–1000 m was achieved with meter-level position error and millimeter-level relative position navigation. This HIL simulation demonstrates the performance of the integrated HIL simulator and the feasibility of the applied algorithms in a real-time environment. Furthermore, the integrated HIL simulator system developed in the current study can be used as a ground-based testing environment to reproduce possible actual satellite formation operations.     

联合北斗导航与星间链路的大椭圆卫星定轨方法

传统的地面测控和GNSS均无法实现HEO卫星全弧段的跟踪观测.在分析北斗导航信号及其星间链路信号对典型HEO的观测几何及覆盖特性的基础上,利用北斗导航及其星间链路对HEO测控支持形成互补的特点,提出了一种卫星导航与星间链路相结合的自主导航方法.对HEO定轨进行分段划分并基于EKF设计了卫星导航与星间链路数据融合定轨的自主导航算法.分析结果表明,本文提出的方法能够从全弧段上改善HEO的观测几何,定轨精度比仅使用卫星导航提高了2个数量级,并且仅需较少的星间链路资源.      

Hardware-in-the-loop simulations of GPS-based navigation and control for satellite formation flying

A relative navigation and formation control algorithm for satellite formation flying was developed, and a hardware-in-the-loop (HIL) simulation testbed was established and configured to evaluate this algorithm. The algorithm presented is a relative navigation estimation algorithm using double-difference carrier-phase and single-difference code measurements based on the extended Kalman filter (EKF). In addition, a state-dependent Riccati equation (SDRE) technique is utilized as a nonlinear controller for the formation control problem. The state-dependent coefficient (SDC) form is formulated to include nonlinearities in the relative dynamics. To evaluate the relative navigation and control algorithms developed, a closed-loop HIL testbed is configured. To demonstrate the performance of the testbed, a test formation flying scenario comprising formation acquisition and keeping in a low earth orbit (LEO) has been established. The relative navigation results from the closed-loop simulations show that a 3D RMS of 0.07 m can be achieved for position accuracy. The targeted leader–follower formation flying in the along-track separation of 100 m was maintained with a mean position error of approximately 0.2 m and a standard deviation of 0.9 m. The simulation results show that the HIL testbed is capable of successful demonstration of the GPS-based satellite autonomous formation flying mission.     

一种多步的基于切换星间测量的多星自主导航算法

针对基于星间测量的多星自主导航问题,从载荷优化和节约成本考虑,提出了一种单套敏感器切换测量的导航方案。建立了该导航方案下的系统状态空间模型,并基于扩展卡尔曼滤波方程给出了导航估计算法。基于多步卡尔曼滤波方法,将集中的滤波算法解耦为多个平行的子滤波器,使计算量降低到原算法的50%以下,并且在切换测量的导航方案下,部分解耦出的子滤波器可以只预测不更新,能够进一步地降低计算负担。给出了多步滤波算法的推导过程,证明了其与标准卡尔曼滤波的数学等价性,故算法的估计性能及计算结果与标准卡尔曼滤波一致,但计算速度有明显提升。最后,通过具体算例给出了算法的仿真验证。     

基于扩展卡尔曼滤波的XPNAV-1卫星自主定轨算法研究

X射线脉冲星导航1号（XPNAV-1）是全球首颗脉冲星导航专用试验卫星。利用该卫星观测的单颗脉冲星数据,采用几何约束方法,能够有效抑制轨道误差增长,但存在长时间定轨发散问题。针对XPNAV-1卫星拓展试验任务及脉冲星导航后续发展需求,利用多颗脉冲星的观测数据,研究基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的卫星自主定轨算法。首先,建立该卫星的轨道力学模型和观测方程;然后,详细论述EKF滤波算法和分段式定常系统（PWCS）的可观测性分析方法;最后,通过综合分析XPNAV-1卫星的观测数据、脉冲星对该卫星轨道的覆盖性以及系统状态的可观测性,进行自主定轨算法试验。试验结果表明,基于EKF的自主定轨算法滤波过程收敛,验证了该算法的合理性和有效性。     

采用无线电单独测量的编队卫星相对轨道自主确定

在实际工程应用中,编队卫星由于任务的要求使得部分测量设备(例如,激光设备)不可用,这就造成系统的观测性下降。文章将条件数应用于编队卫星系统的可观测度的定量计算;并针对编队卫星进行轨道机动时仅采用无线电进行测量的工况,采用强跟踪离散卡尔曼滤波(UKF)算法进行仿真计算。仿真结果表明该方法具有很强的跟踪能力,并且鲁棒性、稳定性和精度与常规UKF算法相当。     

低轨飞行器利用GPS定轨的算法研究

详细讨论了低轨飞行器利用ＧＰＳ系统定轨的原理和方法。分析了低轨飞行器选星时应考虑的问题,并根据导航星及用户模型进行了选星试验;探讨了利用最小二乘法进行解算定轨;详细分析了卡尔曼滤波算法,针对低轨飞行器提出了一个九状态卡尔曼滤波模型,并在此基础上进行了仿真模拟计算。另外,根据用户对电源能量和可靠性的特殊要求,提出了一种比较实用的定轨方法。仿真结果表明,提出的方法在精度上满足用户的要求,适合于工程实际应用。