平均相对运动方程及其在卫星编队构型维持中的应用

针对近地轨道卫星相对运动过程中的周期变化特性,利用轨道周期平均方法给出了平均相对运动方程,并在此基础上设计了两种编队构型维持策略.首先,推导出以轨道根数差分表示的平均相对运动方程,该方程能有效消除相对运动的周期性变化.其次,针对大气阻力摄动和J2项摄动,利用轨道平均根数的线性化递推公式,给出了平均相对运动轨迹的预报方程,通过事先预报编队飞行的平均轨迹,为编队构型设计和保持控制提供参考依据.最后通过数学仿真对两种编队构型维持策略进行了验证.     

椭圆轨迹编队飞行轨道分析

国际航天界在探讨小卫星的应用过程中产生了8虚拟卫星9的新概念2这种虚拟卫星是由若干颗按一定的队形飞行的小卫星构成:这种编队飞行的卫星星群的轨道设计;轨道演变及控制是一个重要的研究课题:文章针对椭圆轨迹的编队飞行2直接利用轨道的分析理论研究了轨道的特征;轨道摄动的影响以及轨道控制方法和所需的速度增量:     

卫星编队飞行的相对轨道自主确定研究

为了研究卫星编队飞行相对轨道的自主确定,基于相对轨道根数建立编队卫星间的相对运动方程,利用测量所得到的星间距离和方位信息作为观测量。不同于目前广泛采用的扩展卡尔曼滤波算法,设计Unscented Kalman Filter(UKF)算法实现卫星编队飞行的相对轨道自主确定。仿真结果表明这种相对轨道自主确定方案能获得较高的定轨精度。     

星载有效载荷自主探测管理方案设计与实现

星载有效载荷在轨探测时需要在多种模式之间不断进行切换, 以便获得探测器 的最优工作状态. 每种模式切换时需要对有效载荷28个电子学前端电路、中子 采集与处理电路、触发单元电路、高压供电机箱及载荷数管进行多种工作状态 参数的配置. 为有效开展有效载荷探测工作, 提高有效载荷探测模式转换的灵 活性及降低模式切换时参数配置的复杂度, 对星载有效载荷在轨自主探测管理 技术进行研究, 并对探测器有效载荷的工作模式进行分析, 给出由地面规划 专家和星上自主探测执行机构相结合的基于事件驱动的有效载荷自主探测方案 设计和软件实现情况, 同时对自主探测中的可靠性措施进行了分析, 实现探测 器全天候、全时段、灵巧探测的功能, 并减少了对地面遥控注入的依赖.     

轨道维持与调相的综合优化策略研究

在交会对接飞行任务设计研究中必须首先确定目标航天器的轨道设计策略,研究了一种将目标航天器轨道维持和调相两种任务进行综合优化的策略.轨道维持的任务是使得目标航天器轨道的形状和位置符合交会要求,调相的任务是使目标航天器在轨道中的初始相位角符合交会要求.在考虑了交会对接发射窗口、交会终端约束条件下,将目标航天器轨道设计问题转化为一个非线性规划问题,应用序列二次规划方法对其进行了求解.仿真计算表明,这种方法既能以较少变轨次数满足交会对接任务要求,又能节省燃料,为空间交会对接任务规划提供了重要参考.     

一种近地卫星自主定轨的联合滤波算法

地磁场具有完整的数学模型,而地磁场矢量是卫星的位置矢量函数,利用地磁场测量可以实现近地卫星的自主导航。首先建立近地卫星的高精度轨道动力学模型,提出基于星敏感器与磁强计相结合的自主导航算法,利用星敏感器输出高精度的姿态信息,同时恒星星光矢量与地磁场矢量组成两种观测模式,采用联合滤波算法对系统进行数值仿真,并对滤波算法的收敛性和仿真结果的精度进行了分析。通过对数值仿真结果的分析证实了该方案具有良好的鲁棒性和容错性。     

卫星编队自主相对导航与通信一体化系统探讨

探讨了一种新的卫星编队自主相对导航与通信系统一体化系统设计方案,提出了基于软件无线电的半双工CDMA测量通信一体化系统,实现自主相对导航和星间通信的一体化功能,通信数据和导航测量数据也统一在一个数据帧中传输,不需要独立的星间网络通信系统和增加额外的通信频段进行通信数据传输。系统采用S波段,详细阐述了系统架构和工作原理,分析了系统性能,并进行了仿真验证。     

太阳帆航天器编队维持和重构的方法研究

针对高面质比航天器可以利用太阳光压进行轨道控制的特点,本文提出一种太阳帆航天器编队构型维持和重构的方法.该方法通过控制主从航天器太阳帆姿态角和反射系数,调整主从航天器之间的光压差,产生抵消编队成员间相对运动受到摄动差或进行轨道机动时所需的连续小推力,从而实现编队构型的维持和重构.仿真结果表明,在主航天器太阳帆的姿态角和反射系数相对固定的条件下,对于太阳同步轨道上的高面质比太阳帆航天器编队,使用滑模控制方法,能够调整编队中从航天器太阳帆的姿态角和反射系数产生推力抵消摄动力影响,达到长期维持太阳帆航天器编队构型的目的;通过开环控制方法,能够调整编队中从航天器太阳帆的姿态角和反射系数产生连续小推力,在较长时间周期内实现编队重构.     

编队飞行小卫星群的相对自主定轨算法研究

针对有参考星的编队飞行小卫星群的自主位置保持 ,研究了基于星间测距的主从星相对自主定轨的可行性及其算法。考虑突发测量噪声对算法稳定性的影响 ,在迭代EKF算法中引入弱化因子 ,对误差较大的观测量实施“软删除” ,相比抗差Kalman滤波 ,性能稳定、额外计算量小、适于星载实现。仿真表明 ,无摄动运动下的相对定轨误差可控制在 0 1m左右 ;J2 项摄动的情况下的相对定轨误差约为 2m。     

星下点轨迹恒定的低轨星座构型设计方法

为探寻适用于低轨巨型星座的构型设计方法,提供了一种所有卫星共星下点轨迹,且该轨迹固定不变的低轨恒定轨迹星座构型解析设计方法。该构型用回归因子、卫星总数两个参数进行编码。首先,利用平均轨道根数思想,建立了地球非球形摄动带谐项阶数为J₄条件下的回归轨道设计解析模型。其次,根据卫星与地球相对运动规律,确立了满足共星下点轨迹条件的解析式。最后,结合回归轨道设计与共星下点轨迹设计思想,建立低轨恒定轨迹星座构型设计模型。最终仿真结果表明,该构型设计方法符合所有卫星共星下点轨迹、且轨迹固定不变的设计预期,验证了本构型设计方法的有效性。本星座构型具有形式简易、构型易维持、覆盖范围广的特点,确保了空间系统与地面系统的方位一致性,极大程度降低了星地系统协同的复杂度。     

太阳同步冻结轨道星座保持与捕获

太阳同步冻结轨道卫星在经过同一星下点时光照特性和轨道高度相同,便于载荷观测及定标.由多颗太阳同步冻结轨道卫星组成的星座,需要实现星座成员轨道倾角、轨道高度、偏心率矢量和相对轨道幅角的同时保持.提出了基于切向单脉冲的最低燃耗轨道面内保持策略,证明了该策略的稳定性和燃料最优性,给出了太阳同步轨道地方时保持简单算法.仿真证明...     

地月平动点中继应用轨道维持

地月平动点中继应用轨道对于月球背面探测具有十分重要的应用价值,由于地月平动点的不稳定性,必须进行轨道维持。文章研究了真实力模型下月球平动点中继应用轨道的维持。首先,基于限制性三体问题下平动点轨道的运动特性,研究了平动点轨道维持的数学模型与维持策略,提出了平动点轨道维持的连续环绕控制方法,并给出了轨道维持的Halo和Lissajous两种控制方式;其次,充分考虑各天体和光压摄动下,采用数值手段研究了不同幅值的地月平动点周期中继应用轨道的维持间隔与速度增量等。研究结果表明:Lissajous控制方式适用于月球平动点中继应用轨道的维持,在给定测控精度条件下,维持间隔约7.4d,速度增量优于20m/s/a。该方法已经成功应用于我国"嫦娥2号"日地平动点任务和"嫦娥5T1"地月平动点任务并获得了良好的控制效果,还可直接应用于我国未来"嫦娥4号"等月球背面探测任务。     

近圆低轨卫星星座相位保持方法

主要研究无轨道高度保持要求的近圆低轨卫星星座相位保持方法.首先根据轨道摄动理论,推导了考虑J2摄动和大气阻尼摄动的卫星相位漂移模型,分别给出基于固定基准星和基于虚拟基准星的相位偏差两种表达方法.在此基础上,按照星座各星轨道衰减一致和不一致两种情况,分别提出两种表示方法理论的和考虑实际控制误差的相位保持策略.通过一个walker星座仿真算例验证了两种方法的有效性.仿真结果显示,两种方法在各星轨道衰减一致和不一致两种情况均可有效完成相位维持任务,当各星轨道衰减一致时两种方法在控制次数和控制总量上无明显差异;在各星轨道衰减不一致情况下,基于固定基准星的相位保持策略更优.     

大偏心率轨道星上快速计算方法

卫星星上轨道的计算方法通常有解析方法和数值积分方法等.采用数值积分方法计算量较大,对于大偏心率的探测器任务轨道,解析方法也不适用.通过引入精密轨道与二体轨道的位置差,利用位置差拟合切比雪夫多项式系数,大大提高拟合精度.该方法计算精度高、计算速度快,可以很好地解决大偏心率椭圆轨道的星上轨道计算问题.     

“用户故事”在姿轨控软件需求分析中的应用

需求分析是软件开发过程中的重要环节.在国内卫星姿轨控软件设计过程中,需求分析阶段描述和定义用户需求的工作多数仍采用传统方法,过于关注软件的设计过程,而忽略了软件需要实现的功能,常常引发需求分析结果与任务方期望不一致的情况,影响开发进度.针对姿轨控软件的特点,在软件需求分析工作中引入敏捷开发所采用的＂用户故事（＂User Story）方法,可以高效清晰地描述和定义用户所需要的软件功能,提高任务方在需求分析阶段的参与程度,显著提高需求分析的准确性.     

基于DSP平台的航天器软件在轨维护实现方法研究*

摘要： DSP（数字信号处理器）在空间领域的应用越来越广泛,面对复杂的空间环境和长时间可靠运行的要求,基于DSP处理器平台的航天器软件,其在轨维护能力成为了一个迫切需要解决的问题.设计一种DSP软件的航天器在轨动态维护方案,并提出两种在轨注入指令码的生成方法.该在轨维部方案通过在航天器软件中预埋钩子功能,经遥控指令注入在轨维护指令码,实现在轨运行软件模块的动态替换功能.通过系统测试,证明该方案的可行性,具有良好的工程应用价值.     

Walker星座摄动分析与保持控制策略

针对运行在中高轨道上的全球Walker星座的构形长期保持控制问题,通过分析星座卫星的轨道摄动及构形相对漂移,研究了星座构形长期保持的控制方法及控制策略.对于星座构形的保持,研究了星座构形摄动补偿法,提出了星座构形数值微分修正法.最后给出了全球星座构形长期保持控制策略并进行了仿真验证,仿真分析表明,星座构形数值微分修正法比构形摄动补偿法具有更高的控制计算精度.     

高轨微弱信号的跟踪算法分析及仿真

高轨航天器自主导航技术是中国迫切需要发展的航天新技术之一,广泛应用于通信、导航、气象、预警等领域。高轨导航接收机为高轨航天器自主导航定位提供了便捷有效的手段。在高动态环境下,载波频率和相位、伪码相位均随载体运动发生较大变化。由于载体动态引入的多普勒频率变化对伪码跟踪环的影响可通过载波辅助消除,接收机的动态性能主要取决于载波跟踪模块的性能。高轨高动态信号由于传播路径的增加,导致高轨导航接收机出现接收信号路径损耗大和信号微弱的问题。通过开展高轨弱信号跟踪技术专项研究及多次仿真分析、合理设计环路噪声带宽和调整预检积分时间等措施,能够有效稳定地处理跟踪 –173 dBw导航弱信号。该技术成功应用于嫦娥五号卫星,并为后期高轨卫星导航、绕月飞行等深空探测项目提供技术指导和指标参考。

     

附加先验轨道约束的LEO几何法实时精密定轨验证分析

低轨卫星的实时精密定轨能够极大拓展其完成复杂科学任务的能力,例如实时环境监测、机动控制和卫星自主导航等.本文根据几何法实时精密定轨模型,提出了附加LEO先验轨道约束从而改善实时定轨的精度、收敛速度和稳定性的构想.分别采用广播星历、超快速星历预报部分和实时精密星历,设计了6种实时定轨方案,并利用Swarm-A,B,C星7天的观测数据进行方案验证与分析.结果表明,使用广播星历、IGU和IGC星历的方案精度递增,附加先验轨道约束能够进一步提升精度.使用IGC星历并附加标准差为1m的先验轨道约束后,在径向、切向和法向的定轨精度分别达到6.12cm,5.55cm和4.98cm.此外,附加先验轨道约束能够显著提升收敛速度,使用IGC星历平均收敛时间约为31min,附加标准差为1m的先验轨道约束后收敛仅需约4min.     

基于宏定义动态链接的模块化星载软件升级方法研究

提出了基于宏定义动态连接的软件模块化设计思路, 并针对某小卫星平台的体系结构, 对其星载软件进行了具体的模块化实现, 同时提出了一种在轨升级方案. 经实验验证分析, 所提出的模块化设计思路提高了星载软件在轨升级的效率和灵活性, 升级过程中对结构化模块信息上载和验证, 提高了升级方法的可靠性和安全性.