重力梯度力矩作用下近地卫星自旋运动规律分析

为研究近地卫星自旋运动规律,建立了近地卫星在受摄动影响的轨道上运行并受重力梯度力矩作用下的姿态运动模型,推导了自旋角速率满足一定条件下自旋运动的进动角、章动角、自旋角的解析解,对重力梯度作用下的自旋姿态运动规律进行了仿真分析,并用仿真计算结果验证了解析解的正确性。在轨道面缓慢进动情况下,当卫星绕最大主惯量轴自旋时,给出了自旋角速率取值范围表达式,在该取值范围内卫星自旋运动能够跟随轨道面一起进动,自旋轴以恒定的平均角速率进动,章动角在小范围内波动。建立的自旋姿态运动模型和分析结论可用于近地卫星姿态失控后的姿态确定和预测、在轨姿态设计及在轨备份等。     

一种轮控卫星姿态机动变结构控制器

针对小卫星3轴反作用轮姿态控制系统的非线性特性,应用误差四元数来描述姿态运动,将星体大角度姿态机动问题转化为误差四元数的调节问题.利用误差四元数和误差角速度建立滑动模态,并基于Lyapunov定理推导出一种姿态机动的引入角加速度负反馈的变结构控制律.仿真结果表明,该控制律能够提高收敛速度,降低机动过程中角速度的超调量和对起始力矩的要求.同时,在模型参数不确定和有外干扰的情况下该控制律也具有全局稳定性和鲁棒性.      

基于优化的羽流撞击消旋技术瞄准策略设计

针对自由翻滚目标卫星的消旋问题,使用化学推力器羽流撞击的方式进行消旋具有较高的可行性和安全性。当目标太阳翼法线与星本体自旋轴存在一定夹角时,需要对消旋推力器的瞄准策略进行设计,以提高控制精度和系统效率。目前国内外对于一般情况下瞄准策略的设计仍存在空白。基于参数化羽流撞击模型,对空间目标的动力学特性进行分析并给出典型工况,分析了羽流撞击力对相对位置姿态的敏感性,得到了瞄准策略设计的一般性准则,在此基础上设计了瞄准策略优化模型的完整表达。仿真计算表明,该瞄准策略适用于太阳翼法向相对期望消旋力矩方向存在一定夹角的情况,并且在保证力矩幅值较大的条件下令精度达到10°以内。该方法适用于太阳翼相对自旋轴倾斜和存在章动运动的目标卫星,从而为服务平台控制系统设计提供支持。     

地球静止轨道遥感卫星相机太阳规避设计

地球静止轨道成像式遥感卫星的光学成像相机在轨工作期间需要避免阳光的照射,针对现有滚动轴姿态机动算法存在规避开始时初始角速度过大的问题,提出一种改进的滚动轴机动太阳规避算法。该算法在规避开始与结束时,设计一定的规避角度余量,将建立机动初始状态的过程由达到规避角度的瞬间延伸到角度余量区间中,延长建立初始状态的时间,减小初始角速度。系统数学仿真和测试验证证明该算法简单可靠,在开始规避时,初始角速度由0.2（°）/s减小到0.014（°）/s,整个规避过程平稳,具有良好的工程应用价值。     

部分充液球形中心贮箱的旋转卫星系统的运动分析

本文分析并计算了半充液球形贮箱内的液体晃动问题。以流体运动的基本方程和系统运动的Euler方程为基础,用特征函数展开法计算出液体的速度场,并在此基础上估算液体的能量耗散率及章动角的时间常数。      

连续常值推力机动分析与应用

连续常值推力机动是空间飞行常用的轨道机动方式。其中,小推力适合于地球轨道航天器交会机动,而切向或周向推力以及较大的正径向推力可用于脱离地球引力场的逃逸飞行,执行星际交会使命。应用常推力作用下的质心运动方程,对机动推力的量值没有限制;在航天器交会应用中,对相对距离也无要求。这种方法可直接获得向径、轨道速度等参数随时间或极角(绕地心的转动角)的变化,便于分析轨道转移与逃逸运动,有助于飞行使命与运动轨迹的设计。特别是,若机动转移的初轨为圆轨道,在推力较小、飞行时间不长的情况下,应用量纲1形式的运动方程,可获得具有工程应用价值的近似解。     

Prospects of using a permanent magnetic end effector to despin and detumble an uncooperative target

Space debris, such as defunct satellites and upper stages of rockets, becomes an uncooperative target after losing its attitude control and communication ability. In addition, tumbling motion can occur due to environmental perturbations and residual angular momentum prior to the object’s end-of-mission. To minimize the collision risk during docking and capturing of the tumbling target, a non-contact method based on the eddy current effect is put forward to transmit the control torque to the tumbling target. The main idea is to induce a controllable torque on the conducting surface of the tumbling target using a rotational magnetic field generated by a Halbach rotor. The radial and axial Halbach rotors are used to damp the spinning and nutation motions of the target, respectively. The normal and tangential force are evaluated concerning the relative pose between the chaser and the target. A simplified dynamic model of the nutation damping and despinning processes is developed and the influences of the asymmetrical principal moments of inertia and transverse angular velocity are discussed. The numerical simulation results show that the designed Halbach rotor stabilized the target attitude within an acceptable time. The electromagnetic nutation damping and despinning method provides new solutions for the development of on-orbit capture technology.     

四元数在弹射座椅性能仿真中的应用

针对弹射座椅性能仿真中欧拉角速率方程在大幅度姿态运动时存在奇异性,以及四元数法由于姿态角的有界性而出现跳跃、难以实现全姿态角的问题,提出了四元数与欧拉角相结合的方法.阐述了四元数的定义、几何意义及四元数表示的运动学方程.通过四元数到欧拉角的转换,给出了仿真中四元数的积分初值计算公式;分析了弹射仿真中姿态角的跳跃和间断问题.以某型号座椅为例进行了仿真计算,通过对比仿真结果和试验数据,确认了仿真的有效性;与采用单一四元数法的仿真结果进行对比表明,该方法充分结合了四元数与欧拉角速率方程的优点,有效解决了欧拉角速率方程的奇异性和弹射仿真中全姿态角的实现.      

升力体飞行器能量近似最优倾斜转弯飞行策略

升力体飞行器返回地球大气层内时受到热流、动压及过载等约束条件,为使得飞行器在倾斜转弯飞行过程中能量损失最小,需要研究一种能量最优的倾斜转弯机动飞行策略。本文的主要研究内容包括:从再入动力学模型出发,分析了升力体飞行器倾斜转弯的弹道特性,推导了终端速度与倾斜转弯幅度相关的解析解,提出了一种多约束条件下能量近似最优的倾斜转弯飞行策略;为进一步验证飞行策略的能量近似最优性,建立了能量最优的非线性轨迹优化模型,通过高斯伪谱法进行求解,获得能量最优的飞行轨迹。仿真结果表明,该飞行策略与优化方法获得的结果高度一致,并且该方法求解效率更高,工程应用性更强。      

考虑禁飞区规避的预测校正再入制导方法

针对升力式高超声速飞行器再入滑翔侧向制导问题,提出了一种考虑禁飞区规避的预测校正制导方法.纵向制导采用落点误差预测与指令校正相结合的方式,不断更新倾侧角的幅值,实时修正轨迹纵程.侧向制导设计了一种倾侧角反转逻辑的切换机制,利用航向角误差走廊和航向角导向区域控制飞行器的侧向运动.CAV-H再入滑翔飞行器制导仿真实例表明,该方法不依赖于标准再入轨迹,能够导引飞行器规避禁飞区约束.Monte Carlo仿真验证表明,在随机初始扰动和误差存在的情况下,该制导方法具有良好的鲁棒性.      

面向立方星变轨任务的机动控制策略

为了实现立方星在轨飞行与变轨,基于模块化推进器系统提出混合控制策略实现微小卫星轨道持续变化任务需求。首先,针对多单元立方星单一主推进器的结构部署,基于高斯变分方程采用连续低推进力实现轨道机动变化。为了实现对立方星主推进器的指向调整,基于姿态动力学模型利用PD连续姿态控制求得所需扭矩,实现对立方星的指向角和指向角速度调节。针对配置的微脉冲等离子推进器(μ-PPT)不连续的特点,通过搜寻μ PPT最优脉冲序列组合获得实际扭矩,满足对外部干扰的持续补偿以及立方星的姿态稳定和指向调整操作需求。此外,引入姿态误差敏感度阈值,使姿态控制器在能够提高系统鲁棒性的同时减少μ-PPT消耗。最后,通过对3U立方星在轨飞行与变轨的具体案例分析,表明所提出的基于微推进器系统的混合控制策略能够实现立方星轨道机动变化需求。     

Optimal guidance and collision avoidance for docking with the rotating target spacecraft

The guidance and control strategy for spacecraft rendezvous and docking are of vital importance, especially for a chaser spacecraft docking with a rotating target spacecraft. Approach guidance for docking maneuver in planar is studied in this paper. Approach maneuver includes two processes: optimal energy approach and the following flying-around approach. Flying-around approach method is presented to maintain a fixed relative distance and attitude for chaser spacecraft docking with target spacecraft. Due to the disadvantage of energy consumption and initial velocity condition, optimal energy guidance is presented and can be used for providing an initial state of flying-around approach process. The analytical expression of optimal energy guidance is obtained based on the Pontryagin minimum principle which can be used in real time. A couple of solar panels on the target spacecraft are considered as obstacles during proximity maneuvers, so secure docking region is discussed. A two-phase optimal guidance method is adopted for collision avoidance with solar panels. Simulation demonstrates that the closed-loop optimal energy guidance satisfies the ending docking constraints, avoids collision with time-varying rotating target, and provides the initial velocity conditions of flying-around approach maneuver. Flying-around approach maneuver can maintain fixed relative position and attitude for docking.     

战斗机过失速机动特征指标的量化评估

战斗机采用过失速机动动作能够有效地提高空战效能和生存能力.利用四元数法建立了带推力矢量的飞机大迎角全量运动方程,依据过失速机动的主要目的"改变机头指向",结合战斗机的机动性和敏捷性,分析了在过失速机动过程中主要运动参数的变化规律,提出了分析评估飞机过失速机动性能优劣的4个指标,即最大配平迎角、从平飞状态拉起到机动迎角和从机动迎角恢复至初始平飞状态的时间、在机动迎角下绕速度矢量滚转并截获90°倾斜角的时间和过失速空战周期,并针对这4个指标开展了相应的全量仿真和量化评估研究,结果表明提出的指标可对过失速机动动作做出有效评估.      

航天器交会快速接近机动策略

对航天器交会接近段V-bar上保持点间的转移,单向(轨道径向或周向)推力机动的最短转移时间为半个轨道周期(对应双径向推力冲量)。若要求转移时间小于半个轨道周期,须采用双向(径向与周向联合)推力。为此,提出5种机动方案:1)起点双向冲量与终点双向冲量机动;2)途中双向连续推力机动;3)起点双向冲量与途中双向连续推力机动;4)途中双向连续推力与终点双向冲量机动;5)起点切向冲量与途中径向连续推力及终点切向冲量机动(即直线路径转移)。其中,方案1)(冲量机动)的速度增量最小,但轨迹视界角最大;方案5)(直线路径)的视界角最小(近似为零),但当转移时间T>0.292P(P为轨道周期)时,所需的速度增量较大。机动方案的选择应全面考虑转移轨迹安全性、速度增量需求、转移轨迹视界角,以及机动复杂程度等多方面因素。若视界角可满足总体设计要求,宜选择方案1);当T<0.292P时,也可考虑方案5)。     

高超声速飞行器平稳滑翔弹道解析解及其应用

针对高超声速飞行器平稳滑翔弹道在线规划问题,提出了一种高精度的平稳滑翔弹道解析求解方法。首先,将升力系数分解为横向分量、平衡滑翔纵向分量和平稳滑翔纵向分量3个部分,并在此基础上将纵向运动方程、横向运动方程和速度方程解耦;然后,分别采用解析积分、正则摄动法、高斯积分法和单步龙格-库塔积分获得了滑翔段高度及射程、弹道偏角、经度、纬度和速度的解析解,并通过分段求解来提高解的精度;最后,利用上述解析解,提出了一种规划升力系数平稳滑翔纵向分量和横向分量的平稳滑翔弹道快速生成算法。仿真校验表明,本文解析解的精度比经典的Bell解析解高1个数量级,所对应的弹道规划方法具有计算量小、规划速度快的特点,有利于实现在线弹道规划。      

基于解析解的小范围高频率机动飞行器制导律设计

针对机动飞行器的小范围高频率侧向机动飞行问题,结合飞行器的运动学和动力学方程,通过解析方法给出了机动幅值和飞行器最大可用过载下的最大机动频率,同时利用粒子群优化方法进行了制导律最优频率的优化。基于解析规划算法给出了正弦机动制导律的解析形式以实现飞行器在侧向方向的机动导引飞行。仿真结果表明：解析算法能够精确得出制导律频率,而粒子群优化方法的精度也能很好的满足要求,误差在5%以内。正弦机动制导律在大速度下可以较好的完成任务目标;在小速度下,幅值误差会有小幅度的增加。     

利用小波分析在轨识别空间目标轨道机动

空间目标的轨道机动往往隐藏在测量噪声中, 不容易被识别出来. 轨道机动可以引起机械能的突变, 用空间目标与航天器的单位质量机械能差作为机动识别的特征信号, 不会引入航天器本身的定轨误差. 用小波多尺度分解处理含噪声的特征信号, 对分解后的数据利用算法识别是否存在机动. 仿真结果表明, 本文提供的方法能有效识别空间目标的轨道机动.      

卫星姿态大角度机动的轨迹规划和模型预测与反演控制

空间科学观测、态势感知、对地遥感、操控服务等应用对卫星提出了高精度、高稳定度、平稳柔顺大角度姿态机动的需求。采用欧拉角形式,对时变、非线性卫星姿态动力学系统进行了分析与建模,将每一个测控周期视为一个姿态机动过程。基于动力学系统受控运动的规律,在每一个姿态跟踪机动过程中,预测姿态偏差,通过卫星姿态演化的反演得到控制指令。以三角函数为基础,设计了一种卫星姿态大角度机动的运动轨迹规划方法。本文所述的轨迹规划及控制方法具有轨迹跟踪精度高、稳定性好,跟踪和机动过程平稳柔顺的特点。数学仿真验证了该方法的可行性和有效性。 关键词：轨迹规划; 模型预测与反演控制; 卫星姿态; 大角度机动     

航天器交会绝对导航向相对导航过渡阶段的分析与设计

对航天器交会寻的段不同的机动模式,考虑相对导航最远联络距离、最晚联络开始时间以及最早轨道圆化机动时间等约束条件,阐述绝对导航向相对导航的过渡阶段(即介于调相段与寻的段之间的漂移段)的设计问题,包括漂移段终点与相对导航联络点位置的确定以及漂移段起点位置偏差分析,建立了漂移段起点标称位置与调相段机动速度偏差的关系式,给出漂移段起点标称位置范围及调整方法。     

采用修正比例导引的雷达寻的导弹脱靶量研究

利用伴随系统推导了采用修正比例导引规律时,目标阶跃机动和初始前置角误差引起的终端脱靶量公式,以及雷达测量误差引起的脱靶量均方根的解析公式.对比了比例导引和修正比例导引的制导性能.