关于HEO空间飞行体的轨道寿命问题

低轨地球卫星的轨道寿命主要取决于大气的耗散作用,其轨道在不断变小(即高度降低)变圆的状态下进入地球稠密大气层中陨落.但HEO(Highly Eccentric Orbit)类型的空间飞行体的运行轨道是一个近地点高度很低,远地点高度却很高的大偏心率椭圆轨道,其轨道寿命主要由第三体(日、月)引力摄动所决定,而且还与其轨道的初始状态有密切关系,特别是慢变量Ω(轨道升交点经度)和ω(轨道近地点幅角),决定了偏心率e的长周期变化状态,从而制约了HEO类型空间飞行体的轨道寿命.本文将根据地球卫星轨道变化规律进行理论分析,阐明这一力学机制,并给出相应的数值验证.     

地球静止轨道卫星电推进位保策略研究

研究了利用电推进系统进行GEO卫星轨道保持问题,给出了一种基于日预报的位置保持策略。首先,根据GEO卫星轨道漂移规律,分析了小推力推进系统每日进行位保的可行性;然后,针对四电推力器配置构型,给出了每日轨道误差、各推力器工作时间与区间的预测方法;进一步,针对给定的定点位置,根据位保效果对电推进安装角进行了优化选择,并研究了推力变化对位保效果和燃料消耗的影响。以东经100°定点为例对所给方法进行了仿真验证,数值结果表明:所给策略可有效用于GEO卫星位置保持。     

天琴计划轨道构型长期漂移特性分析

为了实现天琴计划航天器轨道构型的长期稳定漂移并满足轨道构型的稳定性指标,文章应用优化算法搜索航天器初始最优瞬时轨道要素。建立考虑摄动情况下航天器轨道动力学模型,对导致等边三角形轨道构型发生长周期漂移的轨道要素进行了分析,并且将这些要素作为轨道设计的待优化参量,应用粒子群（ParticleSwarmOptimization,PSO）智能寻优算法进行优化,应用最终优化得到的轨道要素进行轨道构型仿真。仿真结果表明,在不进行轨道控制的情况下,4年内轨道构型呼吸角变化小于1.5°,臂长变化小于1500km,臂长变化速率小于10km/s,初步满足轨道构型的稳定性指标。     

小倾角同步卫星通信

同步卫星工作寿命必须考虑各种因素,当它接近寿命末期时,尽管星上有效载荷仍能有效工作,但剩余的燃料已无法继续进行南北位置保持,只能进行东西位置保持。这时如果利用该星进行小倾角通信,就能有效地延长卫星工作寿命,节省大笔经费。同时就它给地面卫星通信系统带来的新问题做了深入研究,给出了不同倾角情况下定量分析结果,并针对不同的通信体制,提出了相应的解决方法。     

倾角函数的一个递推公式

在分析计算地球引力场球谐调和项引起的轨道摄动时,需用到倾角函数Ftmp(i)。如果直接应用其分析表达式,则计算量非常大。文中导出一组递推公式,利用这些递推公式可以大大简化计算,极大地减少计算时间。     

GEO卫星基于电推进系统的倾角与偏心率联合控制方法

针对配置电推力器的GEO卫星位置保持问题,提出一种对倾角与偏心率进行联合控制的方法,建立了求解控制方程的优化模型,并针对优化模型变量多、约束复杂的问题进行降维处理,得到两种简化的求解方法,降低了求解复杂度与计算量,适合星上自主计算。采用联合控制方法,仅靠电推力器就能够同时实现卫星倾角和偏心率的高精度控制,有效降低卫星位置保持总的推进剂消耗。仿真算例表明,与电推力器只控倾角的传统方法相比,在保证偏心率控制精度不变的前提下,采用电推力器倾角与偏心率联合控制方法,15年寿命期内节省推进剂质量39kg。     

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.     

推力器工作对轨道的影响分析

针对已知推力器在地球静止轨道卫星上的安装信息和已知推力器的工作信息,对推力器作用力进行建模,分析计算推力器在不同工况下工作对卫星轨道的影响;统计在轨卫星推力器工作对轨道的影响效果,并与计算结果分析进行比较,说明在轨道外推模型中加入推力器作用力的修正,可以有效地改善轨道外推的精度。     

全方向长期伴飞卫星集群轨道设计与仿真

主要研究在J2摄动的影响下,在中心卫星周围全方向上部署长期相对有界伴飞卫星的轨道设计方法。首先,利用J2不变的条件,由已知中心卫星轨道根数建立伴飞卫星的半长轴、偏心率及轨道倾角之间关系。然后,通过对伴飞卫星和中心卫星之间初始相对位置及轨道根数之间关系的分析,得到伴飞卫星的全部初始轨道根数,使其能够部署到中心卫星周围的任意方向上,从而能实现卫星集群在中心卫星的周围全方向长期有界伴飞。最后,通过轨道仿真验证了该方法的有效性。     

利用月球引力场改变地球卫星轨道倾角原理

文章以休斯公司利用月球引力拯救“亚洲三号”通信卫 星的活动为背景,引入影响球的概念,对利用天体引力场改变航天器运行轨道倾角的原理进 行了探讨,并得到利用目标天体改变轨道倾角所应满足的两个条件：目标天体的运行轨道和 空间位置。利用一条假设的卫星轨道说明了月球引力场对其轨道倾角的影响。     

大椭圆轨道卫星交会高轨目标的高精度视线跟踪控制

针对大椭圆轨道卫星交会高轨卫星期间的相对姿态指向控制需求,提出了一种采用混合执行机构的快速、高精度视线跟踪姿态控制的方法.首先根据相对姿态控制流程设计了执行机构的配置,结合采用喷气推力器和角动量交换装置卫星的姿态动力学模型,推导了用相对四元数描述的视线运动学方程.其次,针对交会快速接近段的姿态快速机动要求设计了一种喷气相平面控制律,针对最近交会段的高精度高稳定度视线跟踪要求设计了一种鲁棒滑模控制律.最后设置了一个算例,仿真结果表明:相对距离100 km以内快速交会阶段的视线跟踪控制精度达0.005 3°,从而验证了整套控制算法的有效性.     

虹湾地区高分辨率成像轨控方案

为了获取分辨率更高的全月面图像数据,并对嫦娥三号任务预选着落区之一的虹湾地区进行高分辨率成像,“嫦娥二号”卫星提高了CCD立体相机的分辨率,并通过降轨机动进一步降低轨道高度,在远月点高度100km和近月点高度15 km的椭圆轨道(简称试验轨道)的近月点附近对虹湾地区进行高分辨率成像.由于卫星能源的限制,卫星在该轨道上不能长时间停留.为了保证成像质量,要求太阳高度角必须高于15°.另外,必须有足够的测控弧段来满足测定轨道精度要求.这些约束条件都对该轨道的控制实施方案设计提出了很高的要求.文章结合嫦娥一号任务的工程实践经验,基于中国自身的测控资源和测控条件,对试验轨道进行了特性分析,根据成像约束条件和测定轨要求,给出了试验轨道的控制计算方案,提出了固定开机时刻和燃料最优两种计算方法解算控制参数.计算结果和误差分析结果表明卫星在试验轨道内满足安全和成像要求,确认了该方案的正确性和可行性.     

对异面椭圆轨道目标航天器的长期绕飞轨迹设计与控制

研究了绕飞卫星对异面椭圆轨道目标航天器进行长时间绕飞观测的轨道设计与控制问题。首先建立了适用于目标航天器运行在椭圆轨道上的长期绕飞轨迹设计模型;得到了绕飞轨迹以目标航天器为中心且保持封闭的条件。然后,考虑绕飞轨迹安全性和完成任务的相对距离需求,针对具体目标设计了长期绕飞观测轨道。绕飞过程中存在的摄动和误差影响会使绕飞轨迹不能保持封闭,不满足任务需求,为此采用双脉冲方法对绕飞轨迹进行控制。仿真结果表明,对运行在异面椭圆轨道上的目标航天器,所建立的绕飞轨迹设计模型和轨迹控制方法可以用于长期绕飞轨迹设计与控制中。     

椭圆轨道编队的构形变化控制方法

推导了椭圆轨道编队的一些典型构形模态,指出椭圆轨道卫星编队的模态不同于圆轨道的构形模态,是极为丰富的。基于T-H方程的解析解,推导了副星在沿航向常值推力作用下的椭圆轨道编队的构形变化控制方法。推导的构形变化控制方法,通过合理的选择控制量的作用时刻,可达到大量节约燃料的目的。最后,给出仿真算例。     

卫星轨道保持的一类控制模型

地球赤道静止卫星希望其定点位置固定不变 ;采用轨迹重复的近地轨道的对地遥感卫星 ,需要具有固定的地面轨迹位置 ;如果这类遥感卫星还同时采用太阳同步轨道 ,则还要求降交点地方平太阳时固定不变。上述这三种情况虽然其物理机制各不相同 ,但其变化及控制过程可以抽象出一种共同的模型。文章首先给出这个统一的模型并对其进行讨论 ,然后将结果应用到所述的三种具体情况     

用于长周期高精度轨道控制任务的快速半实物仿真系统

针对长周期高精度轨道控制任务的快速仿真试验需要,对传统的卫星控制系统半实物仿真系统进行了重构.提出利用动力学仿真模型程序的超实时运行驱动试验进程加速的方法,介绍系统总体设计思路及其结构、组成和工作原理,给出实时/超实时双模高精度动力学模型的开发及星地状态同步两项关键技术的具体实现,并通过应用实例证明了系统的有效性.     

在轨地球同步卫星轨道控制参数计算及工程实现

在轨地球同步卫星轨道控制包括东西、南北控制和位置漂移三个部分.分别针对这三种情况,从工程实用角度出发,给出了选择目标参数方法、控制参数计算公式和具体实施策略.以自旋卫星为例,分析了控制效率,提出了一种新的东西控制参数计算方法,在给定控制精度下,大大简化了算法的复杂性.以1904年9月FY-2B星一系列控制为例,详细介绍了它们在经度漂移、南北控制、刹车控制和定点捕获等方面的具体应用和实现效果,理想的控制效果表明了上述算法和实施策略的正确性.     

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.     

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。