分布式空间系统和航天器编队飞行辨析——兼谈航天器知识编队和精确编队飞行应用实例

小卫星技术的迅速发展和应用,为空间应用开辟了许多新领域,同时出现了很多新概念和新名词。文章对分布式卫星系统、编队飞行、星座、星群以及空间敏感器网等概念及其相互之间的区别进行了系统论述,也介绍了航天器知识编队和精确编队飞行的应用实例。     

未来“拼”星去太空

小卫星在各领域得到广泛应用,从单颗小卫星,到小卫星星座和分布式小卫星系统编队飞行,从小卫星采用全新的推进剂等先进的技术,到采取创新的设计思想,未来小卫星将有优于大卫星的功能和成本效益,其发展前景将无法估量。     

用于对地观测定位的编队飞行卫星群轨道构形设计

编队飞行卫星群是一组小卫星,它们具有短的相对距离、相等的轨道半长轴和微小差别的其它轨道要素,它们形成相互伴随运动,并且具有一定的构形。提出将编队飞行卫星群的轨道设计技术应用于对地观测定位卫星系统中。根据设想的要求,针对由四颗伴随卫星围绕基准卫星(或一个虚拟的中心)飞行的轨道设计案例,初步分析了编队飞行卫星群的构形保持,地球引力和大气阻力的摄动影响等问题。     

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。     

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.     

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。     

编队飞行卫星群的轨道动力学特性与构形设计

编队飞行卫星群由一些相对距离近的小卫星组成,在严格的条件下,若干颗伴随卫星环绕一颗中心卫星作相对运动,相对轨道为特别性质的椭圆,本文研究了编队飞行卫星群的轨道动力学特性,提出了编队飞行的轨道构形设计的原则和方法。     

卫星编队飞行的应用研究

卫星编队飞行是空间技术发展的一个完全崭新和开拓性研究课题，对正在蓬勃发展的小卫星来说，可以认为是一次空间应用革命。以国际典型应用实例介绍了卫星编队飞行技术发展现状，以应用需求为目标，提出并论述了三个对地观测卫星编队飞行方案；研究分析了卫星编队飞行的关键技术。     

小卫星编队飞行动力学及其应用

由若干颗小卫星编队飞行组成一个虚拟卫星 ,其功能相当或超过一颗大卫星。这将为小卫星开拓一个完全崭新的应用领域。文章首先论述编队飞行的概念和应用 ,其次研究轨道动力学。系统地研究编队飞行三种动力学模型 ,最后进行相应数学仿真 ,分析研究各种数学模型的精度和它们的应用场合。     

分布式小卫星SAR系统GMTI模式构形优化

对分布式小卫星SAR系统地面动目标检测GMTI模式的研究目前正处于广泛探索阶段.如何评价一个分布式卫星系统的GMTI能力,编队构形对GMTI到底有怎样的影响,怎样设计编队使系统GMTI能力最强等问题是文章讨论的内容.从盲速比例的角度出发,提出对系统的GMTI功能进行衡量的定量指标,分析编队构形方式对该指标的具体影响,寻找GMTI模式下可能的编队优化方法.     

编队飞行小卫星相对姿态控制研究

以四元数作为定位参数对编队飞行小卫星进行相对姿态控制。首先给出了以误差四元数作为反馈量 ,基于参考卫星的相对姿态控制律 ,其次 ,研究了由若干颗相同卫星组成的编队卫星 ,在卫星姿态达到指定的方位时 ,相互之间也要满足一定要求的相对姿态控制律。最后进行了仿真计算 ,说明了两种相对姿态控制的有效性和可行性     

协同小卫星系统和服务

文章提出一个新概念:协同小卫星系统和服务(应用),简称5S(Synergic Small Satellites Systems and Services)。其目的是积极研究和开发多颗小卫星联合协同工作,开创在各领域新的应用。文中首先论述5S的概念与内涵;其次研究小卫星星座和编队飞行性能特点与系统设计;最后介绍近几年来协同小卫星系统的4个创新应用示例。     

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。     

基于平均轨道要素的干涉SAR编队构形设计方法研究

提出了一种在整个轨道周期内沿轨迹向和垂直轨迹向均存在稳定基线组合的三星编队，并在考虑J2摄动基础上给出了其轨道设计方法。依据系统任务要求给出了该队形设计的约束条件，初步确定了编队的平均轨道参数。为了使得空间基线在摄动情况下保持相对稳定，对卫星平均半长轴进行了小量修正。最后在卫星工具包（STK）下进行了高精度轨道仿真验证。结果表明，该方法设计的编队初始轨道参数能使空间基线保持稳定，在一个轨道周期内，垂直轨迹方向存在两条相同的稳定基线，沿轨迹方向存在一条稳定基线和两条周期性变化基线，能够同时满足DEM和GMTI任务要求。     

编队飞行卫星在间断式导航、天基干涉仪和分工式工作星的可行性构想

对将编队飞行卫星应用于用户间断性三维无源自主定位导航 ,用干涉仪对敌方目标被动定位和卫星分工式工作的可行性进行初步分析对比研究 ,除指出这些构想的队形要求和优点外 ,同时也给出其缺点和存在的困难     

低轨卫星编队飞行的地面覆盖及轨道调整

通过施加冲量的方法消除J2项摄动和大气阻力摄动对编队飞行的影响,在编队的相对构型和整体绝对位置得到控制后,研究了低轨卫星编队飞行的地面覆盖问题,最后通过算例给出了卫星编队在南北纬86°之间全球覆盖所需的时间、周期、圈数和覆盖角。计算结果表明,对于偏心率较小的低轨编队飞行,根据本文所推导公式计算出的结果是比较可靠的。     

卫星编队飞行相对轨道的摄动研究综述

卫星在编队飞行过程中总受到各种摄动力的作用，由于轨道摄动直接影响卫星的寿命，研究卫星编队飞行相对轨道的摄动问题具有重要的意义。本文综述了国内外有关编队飞行卫星相对轨道摄动问题的研究方法以及进展，最后针对目前相对轨道摄动的研究现状，指出了进一步的研究方向。