月球轨道交会任务的远程导引变轨策略研究

对国内外月球轨道交会远程导引段变轨策略的2~5脉冲变轨方案进行了比较分析,在考虑月球轨道交会飞行任务测控资源有限和航天器所带燃料受限等特点的基础上,确定了我国月球轨道交会远程导引段的变轨策略为4脉冲方案;并介绍了在4脉冲基线轨道方案的基础上,进行标称轨道设计和月面上升窗口初步分析的结果。研究结果可为我国月球轨道交会对接任务提供参考。     

速度信息缺失的平动点轨道交会预设性能控制

以平动点轨道的交会对接为研究背景,基于高阶积分链微分器和预设性能控制理论提出了一种仅需相对位置信息的平动点轨道近程交会控制律。首先利用高阶积分链微分器估计两航天器的相对速度状态,并设计预设性能控制器使得两航天器的相对运动状态在预设的边界内渐近收敛到期望状态。然后利用李雅普诺夫函数证明相对运动状态存在扰动时控制器的稳定性。该方法为闭环控制,且与模型无关,容易在线操作。仿真结果表明,在平动点轨道航天器存在未知扰动以及导航制导等不确定的情况下,利用所提交会控制律能够实现追踪航天器与目标航天器交会任务的高精度实时控制,具有较强鲁棒性。     

自主交会对接若干问题

自主交会对接是交会对接技术的发展趋势。本文首先介绍了国际上自主交会对接的研究概况，然后研究了假设目标航天器为刚体，运动在圆轨道或近圆轨道上，追踪航天器与目标航天器在近距离范围内实现自主交会对接的若干问题，即信息自主获取的测量技术，智能自主的控制技术和保证飞行状态及避免碰撞的人工智能技术。为实现自主交会对接，智能控制是非常重要的手段。     

嫦娥五号月球轨道交会对接远程导引轨道设计与飞行实践

结合月球轨道交会对接任务的特殊性和中国探月工程的实际工程约束,介绍了嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计,包括轨道器调相和上升器远程导引两方面内容,重点介绍了月球轨道交会对接远程导引多脉冲调相轨道方案的选择、标称轨道优化设计、轨控策略和误差分析结果以及实际飞行轨道控制的情况。飞行实践数据分析表明：嫦娥五号任务月球轨道交会对接远程导引轨道设计是正确合理的,实际飞行的速度增量满足推进剂预算的要求,全飞行过程测控条件良好,交班点控制精度完全满足转自主控制的要求,有力保障了交会对接和样品转移的顺利完成。     

国外中继卫星对航天器交会对接的测控通信支持

中继卫星系统的天基测控通信是近代航天技术的重大突破,它能够有效地满足航天器交会对接的测控通信需要。文章分析了美国＂跟踪与数据中继卫星系统＂（TDRSS）和欧洲＂阿特米斯＂（ARTEMIS）中继卫星对＂自动转移飞行器＂（ATV）与＂国际空间站＂（ISS）交会对接任务的测控通信支持,总结了国外中继卫星系统支持航天器交会对接...     

航天器交会对接发射时间的选择与确定

在航天器交会对接飞行试验中,追踪飞船与目标飞船发射时间的选择不是独立的,而是相互关联的,并且涉及多方面因素,如轨道共面要求、对太阳电池帆板的日照角限制以及最终平移段目标飞船的照明需求等。综合考虑这些约束条件,提出追踪飞船与目标飞船发射时间选择与确定的方法,并以图表形式给出许多模拟计算结果,对航天器交会对接设计与飞行试验具有应用价值。     

天地一体化网络中的航天器IP网络设计

为了将地面IP网络技术应用于航天器内部设备间的数据通信,并实现与地面站的互连,根据航天器与地面站之间通信链路的特点,提出一种IP网络协议体系结构,实现天地一体化网络通信。在航天器上采用以太网协议完成内部网络数据交换,配置天地网关设备完成与地面测控通信网络之间的IP包交换;地面测控通信网络采用计算机IP网络,并配套相应的天地网关设备,完成与航天器的IP包交换。根据航天器数据的特点,提出一种速率控制策略,优先传输控制数据,控制图像话音数据周期平均速率,控制试验数据IP包平均速率。地面仿真试验及实际系统测试结果表明:文章提出的航天器IP网络设计,适应航天器与地面站的通信链路,可直接应用于高、中、低轨航天器的天地一化网络通信,也可为后续月球、火星等探测任务提供参考。     

低轨航天器中继测控终端固定宽波束天线覆盖研究

数据中继卫星运行在地球静止轨道,可作为低轨航天器在地面站视距外测控通信的数据中继接力。针对中继小型测控终端的需求,文章设计了两种不同的固定安装的宽波束中继终端天线,一种为简单锥形波束,另一种为赋形的复杂环锥形波束。结合低轨航天器不同倾角的轨道特性和终端天线不同的方向图类型,应用STK卫星仿真软件进行了不同组合的链路仿真分析,给出了不同轨道倾角的航天器与中继卫星长时间建立链路的最优天线方向图及其设计特性。链路仿真的参数包括总的建立链路时间、建立链路的次数及建立链路的区域等,仿真结果对于低轨中继终端的应用具有重要的指导意义。     

远程导引变轨方案修正算法

为在实际摄动条件下由远程导引变轨方案初始设计结果实现追踪航天器与目标航天器的交会,提出了一种修正变轨方案。将初始多脉冲式变轨方案转换为有限推力式并作修正,取远程导引结束时刻追踪与目标航天器间的相对轨道要素为目标函数,采用J2,J3,J4解析轨道预报器对目标函数计算需要的轨道进行预报,以历次变轨开始时刻、结束时刻和推力方向为优化变量,用边界约束有限存储BFGS(L-BFGS-B)优化算法获得的最优解为修正后的变轨方案,可消除摄动模型误差。算例结果表明,经转换和修正所得有限推力式变轨方案能在实际摄动条件下实现追踪航天器与目标航天器的交会。     

双工作模式空空通信机的设计与实现

空空通信机是飞船交会对接过程中通信链路的关键设备，主要完成两个航天器之间的信息交换。根据任务需求，空空通信机需具备两种工作模式，即扩频模式和非扩频模式。文章首先阐述了空空通信机的基本工作原理和整体结构设计，针对两种工作模式的需求，硬件上采用通用设计，软件上采用分时加载不同软件的设计方案。按照空空通信机的结构模块，顺序介绍了各个模块的设计方法和实现思路。对超外差式接收机的主要指标进行了设计和分析，直接射频调制发射机实现了QPSK和BPSK调制兼容，数字解调部分采用“ADC+FPGA”的设计方案。主工作FPGA芯片完成扩频模式解调和非扩频模式解调，另一片FPGA完成对主FPGA的回读重加载，并根据遥控指令来完成不同程序的加载。文章设计的空空通信机已成功应用于某卫星型号，设计方法对后续其他型号的空空通信机的设计有一定参考价值。     

航天器交会对接发射窗口分析

分析了交会对接任务中航天器受到的主要约束条件,将约束条件与发射时间相关联,建立了交会对接任务中发射时间求解的数学模型,设计了发射窗口的求解方法,得到了满足各项约束条件的交会对接发射窗口,并进一步对交会对接任务目标航天器初始轨道对发射窗口的影响进行了分析。
     

美国的空间交会对接技术

为了给＂阿波罗＂登月计划作技术准备,美国研制和发射了＂双子星座＂系列两舱式飞船,用于突破和掌握太空行走和空间交会对接技术。1966年3月,美国＂双子星座＂8号飞船与由＂阿金纳＂火箭末级改装的目标航天器实现了世界上首次交会对接。1969年7月,美国＂阿波罗＂指令舱与登月舱实现了首次月球轨道人控交会对接。     

航天器交会对接中GPS的应用

卫星定位和卫星通讯是正在寻求的空间飞行器高级自主交会系统的首选测控手段。本文概述了航天器的交会对接基本要求和过程以及美国全球定位系统（ＧＰＳ）和组成、定位原理、精度和差分原理后，列出了两种形式的相对运动方程。利用运动方程求解、单纯ＧＰＳ、差分ＧＰＳ的结合，可以完成追踪航天器向目标航天器接近的整个导引过程，且可以省去庞大的地面遥控遥测、星上雷达等设备，减少误差源。仿真计算证实了这一设计思想的可行性和     

针对失控翻滚目标航天器的交会对接控制

研究了一个受控的追踪航天器和一个失控慢速翻滚的目标航天器的末段交会对接控制问题。通过引入基于特征模型的控制方法,设计了相对位置跟踪控制器以及姿态同步控制器,克服了针对目标航天器测量中存在的较大不确定时延,航天器动力学参数的不确定性,以及追踪航天器存在的较大帆板挠性,实现了针对失控自旋目标的末段精确交会对接控制。最后,通过搭建仿真系统进行动力学仿真,进一步验证了本文控制策略的有效性。     

多冲量轨道交会问题算法研究

针对平面内轨道交会问题给出了一种多冲量轨道控制算法,其融合了半长轴、偏心率、近地点幅角联合控制方法和轨道相位捕获控制方法。首先建立了等点火时长计算模型和理论起控时刻计算模型,在此基础上设计了控制序列自动调整算法。基于该算法,在给定测控条件、单次控制最大点火时长等约束条件下,可快速求解实现与目标航天器轨道交会的多冲量控制策略。最后,通过轨道交会问题算例,验证了算法的有效性。该方法可应用于轨迹捕获、航天器组网控制、航天器交会远程导引等航天场景。     

神舟飞船交会对接信息流可靠性设计

为成功实现航天器交会对接,航天器内部及航天器间的协同控制是必不可少的,而信息流的可靠性传输是实现其协同控制的前提条件。针对我国交会对接试验,文章提出了一种交会对接信息流的可靠性设计方案,将信息流处理分为信息采集、信息鉴别和信息转发3步,通过采集通道冗余设计、信息校验、多重转发等手段,建立了信息流的可靠传输通道。此方案具...     

美、俄航天器与"国际空间站"交会的轨道分析

发射航天器与"国际空间站"进行交会对接是美国和俄罗斯两国常规性的航天活动,在每次这类飞行的全过程中因特网的有关网站都将北美航天防空司令部(NORAD)追踪测量得到的航天器的轨道根数予以公布。据此对2005年7月美国航天飞机与"国际空间站"的交会对接以及2006年3-4月俄罗斯的联盟TMA-8载人飞船与"国际空间站"的交会对接过程的轨道进行了分析。     

《航天器交会对接技术》出版

《航天器交会对接技术》一书于2007年10月出版。该书密切结合载人航天工程,从交会对接基本轨道原理与姿态运动出发,深入系统地研究了交会对接过程中轨道动力学模型、交会对接的飞行策略、导引与控制规律、发射窗口等问题,全面完整地给出了工程实用的理论模型和工程仿真算例,是广大航天科技工作者学习和掌握航天器交会对接技术的一本优秀教材和科技参考书。     

任意周期信号非相干测距技术研究

飞行器测控系统上、下行链路信号关联性越小,则信号体制的可选择性越大,有利于在飞行器测控系统中引进先进信号传输处理技术并提高上下行信号设计的灵活性。分析了传统相干与非相干测距技术的不足;在比相测距法原理基础上,推导出利用任意周期信号实现飞行器非相干测距的方法;对影响测距指标的距离模糊问题、测距精度问题进行了研究分析;对所研究的方法进行了数值仿真。结果表明采用此方法不仅可使测控系统上下行信号设计达到独立设计的目标,而且在保证同等精度要求的条件下,上下行链路信号体制可通过不同形式进行组合使用,在现有传输体制基础上可进一步降低测控信号设计的复杂度,适用于空天、临近空间及航空等不同环境下的飞行器测控与信息传输应用。     

载人航天器测控与通信分系统安全工作模式设计

从载人航天器测控与通信分系统链路资源出发,提出了基于地面S频段测控及导航信号接收链路全向覆盖,宽波束中继链路自主组阵,窄波束中继天线自主跟踪的测控与通信分系统安全工作模式,确保任何情况下测控通信链路都能够稳定建立,特别是在载人航天器出现异常掉电又恢复后,测控与通信分系统能够自动恢复高、低速天地链路,确保载人航天器安全工作.该模式设计经过地面测试验证和在轨飞行验证,既能够满足正常飞行时链路余量大于3 dB的要求,又有效减少了紧急情况下载人航天器对地面的依赖,取得了良好的在轨应用效果.