J_2摄动下卫星相对运动解析方程研究

在圆/近圆参考轨道下,依据含有J_2摄动的卫星相对运动动力学模型,提出将变化幅度较小的地心距及轨道倾角平均化,求解J_2摄动下卫星相对运动动力学模型,获得了适用于任意初始条件的、以相对位置和相对速度为变量的、解析形式的J_2摄动卫星相对运动方程。仿真结果表明,与经典CW方程相比,J_2摄动下卫星相对运动精度提升明显,证明了所提方法的合理性和准确性。     

J2摄动下脉冲推力星下点轨迹调整解析算法

针对快速响应对地成像任务,在轨卫星可通过轨道机动实现星下点轨迹调整。研究了J2摄动下小椭圆轨道的脉冲推力星下点轨迹调整的解析算法。首先给出脉冲推力下小椭圆轨道参数变化模型和滑行段星下点轨迹运动模型;然后通过分析得到影响星下点轨迹的四个轨道要素,进一步推导了平近点角增量近似公式,并得到它与速度增量的线性关系表达式;最后推导了J2摄动下星下点轨迹调整需要的脉冲的三种解析方法。仿真结果表明,三种解析算法运算速度快,地面位置误差小于7km。     

空间轨道交会非线性优化方法研究

利用非线性规划方法研究了多脉冲最优轨道交会问题,考虑地球扁率J_2摄动影响,建立普遍适用的空间飞行器数学模型。以迭代的方法确定空间预定交会点,在此基础上建立了用于求解多脉冲最优轨道交会的非线性规划模型,并对双脉冲固定时间交会轨道进行优化,得到了最优速度增量的大小、方向和作用时间,通过仿真与Lambert轨道规划方法进行比较,验证了此方法的有效性和优越性。     

平动点双脉冲转移轨道的快速计算方法

针对限制性三体问题中的平动点双脉冲转移,提出一种高效的计算方法。通过利用基于二维插值的数值流形近似方法对流形进行近似计算,同时利用二体模型下的圆锥曲线近似流形拼接段,根据经典轨道要素推导得到完成拼接所需的速度增量,避免在优化过程中对流形的重复积分计算,以及在三体模型下对拼接段的迭代计算,从而显著提高计算效率。然后推导得到三体问题下的主矢量理论,可将其用于对优化所得的双脉冲转移轨道进行燃料最优性的验证。最后,以航天器从近地圆轨道到地月系L1点的halo轨道的双脉冲转移为例进行数值仿真,验证数值流形近似算法和二体模型近似脉冲的有效性,并表明该方法在优化过程中具有高效性。     

基于零J_2摄动条件的近圆轨道编队保持双脉冲最优控制方法研究

重点研究了考虑J2摄动作用的近圆轨道编队构形保持双脉冲最优控制策略.利用轨道要素法建立了考虑J2摄动作用影响的相对运动方程,推导了消除相对摄动影响长期项的零J2摄动条件,并利用该条件对C-W方程得到的编队初始条件进行了修正,得到了对J2摄动不太敏感的相对轨道.然后,基于C-W方程建立了编队保持双冲量最优控制模型,并利用非线性规划方法得到了编队保持所需的最优控制脉冲.仿真结果表明,J2项摄动对相对运动的破坏作用明显减小,提出的双脉冲最优控制方法能够有效实现编队保持的高精度控制.     

基于参数优化的脉冲轨道设计

基于参数优化设计了一种可处理各类脉冲轨道优化的一般方法,并给出了两种确定最优脉冲数的方法。以脉冲矢量与脉冲施加时刻为未知参数,将脉冲轨道优化设计转为非线性参数优化,用合适的非线性规划算法求解。主矢量理论对所得解最优性的验证表明该方法可行。     

在轨目标逼近远程导引律设计

利用最优多脉冲方法,对目标航天器逼近过程的远程导引段轨道进行设计.基于Lawden主矢量理论,解决固定时间、燃料最省的逼近轨道问题.通过仿真分析了固定初始条件时燃料消耗量随着转移时间的变化关系.对于燃料和时间均有约束的情况,给出了求解燃料最省和时间最小的多目标优化问题的方法.这一研究对于评估具体任务的燃料消耗和转移时间有重要意义.     

星历模型下地月自由返回全飞行过程轨道设计

面向载人登月任务需要,针对星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道设计问题进行了研究。在三体模型下对地月三维自由返回轨道进行了求解,得到了地月空间内的自由返回轨道分布情况。在二体模型假设下对近月段的三脉冲变轨进行了求解,给出了变平面机动的计算方法。进一步提出了两轮逐次优化修正策略,分别以高度和再入走廊为主要约束,采用内点法和SQP算法在高精度星历模型下对自由返回轨道初值进行逐次优化修正。之后,采用SQP算法在星历模型下对近月三脉冲变轨进行优化修正,得到了星历模型下的自由返回+近月三脉冲变轨地月转移策略。仿真校验结果表明本文提出的方法能够在给定约束下有效求解星历模型下具备自由返回能力的地月转移轨道,为载人登月任务的转移轨道设计提供参考。     

近地星座异面遍历交会轨道全局优化

根据J 2摄动对轨道面的长期影响规律，提出了一种在近地低轨道星座卫星之间进行异面轨道交会的解析近似方法，并用于建立多星多约束遍历交会的混合整数规划模型，能够快速获得多星交会次序、交会时刻的最优解。仿真算例表明提出的方法适用于在轨服务、构型重建等类型任务的快速优化，计算速度和燃料消耗优于以往类似算法。     

编队队形的等交点周期设计方法

在分析编队构形一般设计方法设计效果的基础上，提出一种等交点周期法，对一般方法进行了改进。该法编队中卫星以一个相等的角速率运行在轨道上，能实现长期的编队飞行，并给出了编队设计算例及J2摄动下的队形演变，仿真表明，用等交点周期法设计的构形，能部分地消除J2摄动的影响。     

圆轨道欠驱动航天器编队重构脉冲控制

针对圆轨道径向或迹向欠驱动航天器编队重构控制问题,提出了欠驱动脉冲控制方法。首先,基于圆轨道欠驱动航天器相对运动动力学模型,分析了两类欠驱动条件下的系统可控性和重构可行性。然后,解析推导了两类欠驱动条件下实现重构所需的最少脉冲次数以及对应的速度增量消耗。最后,设计数值仿真算例,验证了本文提出的欠驱动脉冲控制方法的正确性。仿真结果表明:径向和迹向欠驱动条件下均可实现圆轨道编队重构。与全驱动控制方法相比,欠驱动控制方法可有效避免由推力器故障引起的重构任务失效,故而提高了控制系统的灵活性与可靠性。     

基于动力学模型的月球车闭环牵引控制

以往的行星探测巡游车大多采用开环的运动学计算方式来实现巡游车的牵引驱动,但这在复杂地形下并不能满足跟踪给定速度的要求。提出采用基于动力学模型的牵引控制方法,实现月球车速度的闭环反馈控制。作为冗余自由度机器人,利用驱动力矩与速度的对偶关系完成月球车的力矩分配,实现了关节速度范数最小和动能最小的动力学优化效果。在动力学可视化仿真平台上,对基于动力学模型的闭环牵引控制方法进行了性能评价,证实其控制效果优于传统的开环运动学计算方式。
     

基于大幅值Lyapunov轨道稳定流形的地月转移方法

针对现有的基于不变流形地月转移轨道设计方法存在的转移时间长、需要额外速度增量的缺点,本文利用平面圆型限制性三体问题下大幅值Lyapunov轨道的稳定流形,提出了一种地月低能转移轨道设计方法。首先计算与给定近月轨道相切的大幅值Lyapunov轨道作为参考轨道;然后根据小偏差值对稳定流形的影响确定Lyapunov轨道初始点的取值范围;再通过最近点截面确定与给定近地轨道相切的Lyapunov轨道的稳定流形;最后根据稳定流形的切点调整近月轨道半径,通过一条稳定流形直接连接近地轨道与近月轨道来实现地月转移。仿真结果表明,该方法仅需要两次速度增量,在能耗较低的前提下大大减少了探测器渐近Lyapunov轨道时的飞行时间,为地月低能转移轨道的设计提供了一种新思路。     

一种立方星编队重构多脉冲机动规划方法

针对立方星轨道机动能力约束,提出一种基于相对轨道根数动力学模型的多脉冲机动规划算法。对于相对轨道面内各分量之间的控制耦合问题,基于“先控制相对形状、后修正迹向距离”的策略,提出了满足速度增量约束的多脉冲机动规划算法;分析了近地轨道 J 2 摄动和大气阻力摄动对相对轨道的影响,并基于线性化的状态转移模型提出了迭代优化策略,以降低立方星在摄动影响下的轨道机动误差。仿真结果表明,所提出的多脉冲机动规划算法在不同任务条件下均可获得有效的机动规划,迭代优化策略可有效地提高终点位置的精度,在基于高精度轨道递推搭建的任务仿真中也验证了算法的有效性,可用于立方星编队构建和重构任务。     

静止轨道卫星远程交会策略设计

针对静止轨道卫星在轨服务任务,提出一种4脉冲远程快速交会规划方法,可在5圈内完成远程交会。调相策略设计中,通过对基于近圆偏差方程的变轨规划策略进行改进,设计得到了3脉冲调相方案。首先,固定第1和第2调相脉冲执行位置,对3个调相脉冲的速度增量及第3调相脉冲的执行位置进行设计优化;再固定第1调相脉冲,对第2和第3调相脉冲的速度增量和执行位置进行再次优化。轨道面调整设计中,通过求解轨道面节线位置,采用单一法向脉冲进行轨道面修正。数学仿真校验了所提出方法的有效性。     

混合推进最省燃料轨道设计方法

使用混合推进方式设计地-月圆型限制性三体模型下的最省燃料转移轨道。将化学发动机以及电推进发动机的燃料消耗总和作为目标函数进行优化,推导一阶必要条件和雅可比矩阵。选择从近地圆轨道出发到达地-月L1附近Halo轨道的转移轨道为例测试上述方法。仿真结果表明,相比发射脉冲固定的情况,混合推进方式进一步降低了燃料消耗,而且给出了飞行时间和燃料消耗不同的组合方式,给予任务设计更大的灵活性。     

航天器相对运动水滴型悬停轨道研究

对航天器相对运动的C-W方程进行了分析,提出了航天器相对运动轨道设计中的一种水滴型悬停轨道,能够实现航天器相对空间目标在一定范围内进行悬停,并且只需使用脉冲速度增量控制即可实现长时间的悬停。文章对悬停轨道的悬停周期与目标航天器轨道参数和悬停位置的关系,以及悬停控制所需的速度增量ΔV进行了分析,给出了进行悬停轨道选择及设计的工程方法,并对C-W方程的状态转移矩阵进行了推导,得到了由常规的后方伴飞轨道使用脉冲速度控制方案进入目标星正下方的悬停位置的初始速度增量、转移时间及末端速度增量。根据分析结果,水滴型悬停轨道有利于工程实现,其设计方法可以应用于航天器在轨服务、侦察、巡视等任务的轨道设计。     

同平面LEO-LEO气动辅助空间交会

给出了实现同平面LEO-LEO空间交会的必要条件，分析了基于脉冲的主动调相方法，并重点研究了基于气动辅助轨道转移技术实现同平面LEO—LEO的空间交会方案。通过设计标准的同平面HEO—LEO气动辅助轨道转移最优轨迹，得到OTV与目标实现交会必须满足的标准相角，然后采用主动调相法使飞行器运行到高轨道时，恰好满足HEO—LEO气动辅助空间交会的标准相角，最后借助气动辅助轨道转移技术实现空间交会。该方法具有扩大发射窗口，且比基于脉冲主动调相法节省燃料等优点。     

基于双蚁群优化的快速轨道转移

研究了Lambert转移的优化问题,并用于航天器的快速轨道机动。以二体模型为基础,在给定的转移时间范围内以燃料最省为目标函数,用蚁群算法(ACA)对Lambert机动问题进行寻优;将第一次寻优用于完成轨道机动所需的速度增量转换成航天器发动机有限推力下的时间序列;考虑地球主要摄动影响,再次用ACA对有限推力工作时段进行边值修正,保证航天器能转移至目标位置范围。仿真结果表明:双蚁群优化方法可有效修正由二体假设导致的Lambert转移的误差,同时由蚁群算法的较强寻优性能保证了Lambert机动过程的燃料最省。     

卫星快速绕飞轨迹设计与制导

快速绕飞在航天器近距离观测、空间目标识别与侦察、在轨服务与应急情况处理活动中具有重要应用。首先建立了适用于目标航天器运行在圆轨道或椭圆轨道的相对运动状态转移矩阵;然后,推导了采用多脉冲控制方法实现与目标航天器共面和异面快速绕飞、进入绕飞和退出绕飞的轨迹设计与制导的模型和算法;最后,分析了绕飞过程速度脉冲需求与绕飞参数的关系。仿真计算结果表明所提出的快速绕飞轨迹设计模型和制导算法可以用于对圆轨道或椭圆轨道目标航天器的共面或异面快速绕飞。