实践九号交付创中国航天技术多项第一

8月21日,由国家国防科工局负责组织实施、中国航天科技集团公司抓总研制的实践九号卫星在北京举行交付仪式,正式投入使用.集团公司副总经理袁洁出席了仪式. 实践九号卫星在轨开展了24类我国卫星发展急需的新产品验证,以及10类、20余种国产核心元器件和原材料的考核评价,取得了中国航天技术多项第一:首次完成卫星编队飞行和高精度GPS星间测量试验,验证卫星编队建立与保持技术,为中国小卫星和微小卫星发展拓展空间;首次实现电推进、高精度光纤陀螺、半球谐振陀螺等核心部组件在轨试验,为大幅提高卫星性能和寿命可靠性奠定基础;首次在轨进行高温超导滤波器验证试验、红外探测器、新型成像技术试验,推动中国微波通信、红外遥感和高性能光学成像技术快速发展;首次在轨搭建高端元器件试验验证平台,为提升中国宇航级核心元器件研制能力、实现核心器件自主可控提供支撑.     

椭圆轨道卫星编队飞行的构型设计

研究了椭圆轨道卫星编队飞行的构型设计问题。首先给出常用的两类相对运动方程,即基于相对轨道状态的相对运动方程和基于轨道根数的相对运动方程,并推导出两类相对运动方程之间的对应关系。然后,针对卫星编队飞行的构型设计问题,结合两类相对运动方程的优点,提出一种简化的编队飞行构型设计方法,避免了复杂的计算。最后通过数学仿真进行了验证。     

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.     

基于微小卫星编队的聚光操控技术

针对空间攻防领域的需求,基于微小卫星编队提出一种聚光操控技术,利用编队内卫星的协同控制聚集太阳光到目标卫星上,造成局部过热甚至烧毁。首先,基于CW方程设计微小卫星聚光编队,分析表明该编队聚光效率较高但需要一种高精度姿轨控算法来支撑。然后,根据任务需求设计基于卫星本体系的姿轨耦合二阶滑模控制算法。最后,通过仿真证明该算法满足编队卫星实现聚光跟随的要求,验证了微小卫星聚光编队在空间攻防领域的可行性。     

GPS在航天器编队飞行任务中的基础性作用

GPS正在改变航天器的测控格局 ,拓宽卫星和星座控制技术 ,从而构成空间编队飞行定时、测量和控制的技术基础。国内外已开发出对航天器编队飞行任务进行精确定位和导航的GPS方案。GPS将充当一大类多航天器编队飞行任务的导航系统。在当前开发的空间编队飞行技术中 ,编队航天器的测量和控制、星间链路通信、任务综合与验证、编队飞行试验台、分散式控制、高轨道航天器的相对导航等 ,无一不与GPS息息相关     

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。     

小推力下卫星编队的非自然构型设计与控制

使用小推力控制可以得到许多独特的非自然卫星编队构型,主从星相对位置不变和从星圆形匀速绕飞构型是两类最典型的构型,建立了这两类编队构型的编队参数(主从星距离、空间方位和绕飞速度)与一天内燃料消耗的关系。进一步考虑存在初始误差时控制律的设计,指出PD控制律能够维持小初始误差编队构型,改进的PD控制律能够维持中等初始误差编队构型,而PD控制律和直接法相结合的混合控制律能够维持大初始误差编队构型,仿真结果验证了所设计控制律的有效性。     

非线性条件下编队卫星周期性相对运动条件

利用编队卫星机械能守恒原理，提出了非线性条件下求解编队卫星周期性相对运动条件的新方法，给出了非线性周期相对运动的初始条件。编队卫星相对距离较近时，利用非线性周期运动条件，可修正Hill方程的初始条件，抑制编队卫星的长期漂移。编队卫星相对距离较大，非线性因素不可忽略时，利用非线性周期运动条件，可找到不需消耗任何燃料的周期性相对运动轨道。最后的数值仿真结果验证了该方法的正确性。     

面向推力器故障检测的卫星编队星间链路设计

为提升卫星编队推力器故障检测能力,将研究重点前移至系统设计阶段,提出了一种基于信息几何的卫星编队星间链路拓扑设计方法。通过利用黎曼流形点描述不同故障模式下卫星编队测量信息特征,使检测能力量化问题转化为黎曼流形上各点间距离的度量问题。在此基础上,构建了卫星编队检测能力的度量指标,提出了卫星编队星间链路拓扑的设计方法,并通过仿真实例验证了所提方法的有效性。     

对地观测卫星编队协同容错姿轨耦合控制

面向对地观测场景下卫星编队的姿轨耦合特性和完全失效故障,提出了基于空间构型重构的协同容错控制方法。首先,根据对地观测的任务需求,分别建立了无故障情况下的卫星编队构型,以及故障发生后将故障卫星移出编队的构型重构方案,包括拓扑网络重构、卫星编号更新和编队构型重构算法;其次,根据上述构型,考虑外部干扰和姿态轨道耦合特性,设计了基于非奇异终端滑模控制的分布式控制律,使得编队在有限时间内稳定,即在故障发生前后卫星编队都可以实现对观测区域的协同覆盖;最后,分别通过数值仿真和实验验证表明了所提方法的有效性。     

分布式卫星编队飞行队形保持协同控制

针对分布式卫星编队飞行队形保持控制问题提出一种分布式协同控制算法,并给出该协同控制算法与编队卫星星间信息传递拓扑结构之间的关系。该协同控制算法以模型预测控制为基础,利用分布式编队卫星的自然特性以及编队卫星之间的信息传递拓扑结构,采用分布式的算法结构,设计分布式的模型预测协同控制算法。该控制算法是一种在线滚动优化控制算法,同时能够较好地解决存在状态约束、控制输入约束等情形下的各种控制问题。最后通过数值仿真验证了结果的有效性。仿真结果表明,当编队卫星星间信息传递拓扑结构中存在生成树时,提出的分布式协同控制算法能够有效地应用到编队卫星队形保持控制问题上来。     

基于气浮台的编队飞行地面试验建模与鲁棒控制器设计

为分析验证卫星编队飞行涉及的相对导航、制导与控制以及星间通信等问题,搭建了编队飞行的地面试验系统,采用了一块3m×4.5m的气浮平台和具有两个平动自由度和一个转动自由度的卫星仿真器分别来模拟低阻力的空间环境和编队飞行的卫星,相对导航采用了视觉相机和室内GPS两种方案,星间通信则通过蓝牙进行模拟。推导了描述仿真器间相对运动的包含参数不确定性的动力学模型,并基于此模型设计了带极点配置的鲁棒H∞控制算法,通过姿态同步和构型保持等仿真实验重点对编队飞行的相对导航、星间通信和相对状态控制进行分析验证,对实际的编队任务具有一定的参考和指导意义。     

基于小波降噪的编队卫星相对位置确定

在编队飞行任务中组成编队的卫星之间相对定位非常重要。本文通过分析信号的频谱性质,运用小波阈值去噪法探讨了J2项摄动下的卫星相对位置确定。该方法通过对高频分量的滤波,改善编队卫星相对运动位置确定的精度。仿真验证了处理方法的有效性,表明该方法有利于相对定位精度的提高。     

基于UKF估计的卫星编队动力学建模方法

提出了一种基于估计的卫星编队动力学建模方法。以实际的经过简化建模的卫星编队动力学模型为基础,利用UKF算法对该模型与精确模型的模型差进行估计,并运用该估计结果对原有模型进行反馈补偿,以达到提高卫星编队建模精度的目的。为了验证该建模方法的有效性,对基于空间圆形编队的卫星进行了仿真实验。仿真结果表明,在忽略J2摄动力影响的情况下,基于UKF估计的建模方法大大提高了原有建模方法的性能。     

基于J2项和大气阻力摄动的卫星编队保持方法研究

研究J2摄动和大气阻力对低轨编队卫星相对位置的影响,在此基础上给出一种编队保 持方案。文中定量分析了J2摄动对编队卫星三轴相对位置的影响,给出了大气阻力对编队 卫 星相对轨道要素影响表达式。在同时考虑两种摄动力前提下,推导给出了x方向受摄动 的漂移量Δx与编队卫星轨道长半轴之差Δa的周期变化量之间的解析关系式,基于 该关系式,设计了单边极限环形式的卫星长期编队保持控制方案。最后通过数学仿真验证了 该方案的可靠性,仿真结果与理论分析相符。该控制方案在计算控制量时只需知道编队卫星 的轨道长半轴之差,容易实现,为工程实践提供依据。
     

小卫星编队飞行关键技术及发展趋势分析

卫星编队飞行是空间技术发展的一个新领域.通过编队飞行可将多颗小卫星形成一颗大的"虚拟卫星",即空间任务的预定功能由编队中各个只担当单一功能的卫星分担,由此整个卫星群可实现强大的功能.实现卫星编队飞行需要保持和控制星群的编队构型,精确确定星间的相对位置和相对速度,即相对导航.卫星编队飞行的关键技术包括轨道设计、轨道演变及控制,星间链路、编队运行管理和测控,以及卫星的自主定位、定轨.叙述小卫星编队的基本原理、轨道构成和技术特征,分析实现编队飞行所需的关键技术,介绍各国编队飞行的现有计划及未来发展趋势.     

基于大气阻力的卫星编队沿航迹方向的变结构控制

分析了大气阻力对近地轨道卫星轨道参数的影响,用变结构控制设计了基于大气阻力的编队构型沿航迹方向的控制。将中心的漂移距离和编队卫星的面质比之差作为输入量,设计滑模面进行编队控制,用极限环方式消除了在滑膜面附近的频繁切换。仿真结果验证了该控制律的正确性。     

小卫星编队与反卫星卫星

反卫星卫星几乎是跟卫星同步发展起来的,俄罗斯既是最早发展卫星技术的国家,也是最早发展反卫星卫星技术的国家。上世纪90年代以后,随着小卫星的出现而发展起来了小卫星编队。小卫星编队的目的是用编队分布式概念来实现通信、侦察和导航等任务,进而用若干个小卫星虚拟一个大卫星。小卫星编队和反卫星卫星产生于不同时代和不同目的,本来是不相干的问题,却出现了巧合。笔者认为,反卫星卫星是小卫星编队的一种特殊应用,小卫星编队的关键技术是反卫星卫星技术的基础,可以说,掌握小卫星编队技术的国家,就具备了反卫星卫星的能力。     

考虑地球扁率的大椭圆轨道编队飞行优化设计

大椭圆轨道上卫星编队的相对运动特性及其所受摄动力的影响给编队轨道设计者提出了新的挑战.本文总结了大椭圆轨道卫星编队的五种基本形式,利用数值积分法计算了主星轨道倾角、近地点角和平近点角初值对地球扁率作用下基本编队形式相对位置极值点漂移量的影响规律.结合零J2项摄动条件,提出基于主星平近点角初值的J2项编队相对轨道优化设计方法,进而获得瞬时根数描述的编队初始条件.仿真算例表明：优化设计结果可以明显降低大椭圆轨道编队卫星的相对漂移量,与平根数描述的编队初始条件的设计结果相比,相对距离极大值点的漂移量降低约81.8681%,验证了基于主星平近点角初值的大椭圆轨道编队优化设计方法的可行性.     

InSAR卫星编队构形多约束优化设计方法研究

基于e/i矢量表示的编队卫星相对运动学方程,根据合成孔径雷达干涉(InSAR)卫星成像过程中测量基线长度、安全防撞等约束,给出了可实现全球测量的高、低纬度编队构形优化设计方法。仿真结果与理论分析相符。该编队构形方法充分考虑了InSAR卫星的成像特性及编队卫星的构形长期安全性约束,可减少编队卫星构形保持次数,为InSAR卫星编队飞行控制和工程实践提供依据。