小推力地球卫星圆轨道同轨调相设计方法研究

在研究小推力地球卫星圆轨道同轨调相任务设计问题的基础上,提出了一种半解析调相参数分析方法,并据此发展了一种高效的精确设计方法.首先,根据推力方向对卫星相位角的影响规律,采用推力方向假设和轨道平均技术推导了调相轨道参数满足的函数关系,通过微分修正可快速获得调相轨道的关键参数;然后,基于摄动轨道动力学模型,通过对控制量进行离散化建立了复杂约束条件下的燃料最省调相轨道设计模型,并以初始分析结果为初值,采用序列二次规划算法进行求解;最后,以地球同步轨道调相任务为例对所提方法进行了数值验证.数值仿真结果表明:提出的初始分析方法可为调相轨道设计提供合理的初值猜测,发展的鲁棒设计方法可有效用于摄动模型复杂约束下的小推力调相轨道设计.     

卫星编队连续推力控制的燃料平衡方法

在卫星编队飞行中,编队重构等机动过程会导致整个编队卫星之间燃料消耗不均匀,甚至出现某一成员卫星燃料消耗完,而导致整个编队构型提前结束乃至任务失败。针对该问题,文章提出了在卫星编队轨道重构过程中可采用的一种燃料平衡方法,即基于连续推力控制,以燃料最优为控制目标,通过建立燃料消耗函数,推导了不同相位角及重构半径时的最优控制加速度,通过减小各从星之间的燃料消耗函数的差异,使得不同成员卫星燃料消耗差别最小。编队卫星燃料平衡程度取决于初始相位角,文章给出了最佳初始相位角的表达式。最后,对以一主二从的三星编队在从星轨道重构中的从星燃料平衡问题进行了仿真,分别验证了卫星编队连续推力控制方法和编队卫星燃料平衡方法的正确性和有效性。     

最少燃料消耗的固定推力共面轨道变轨研究

本文研究了推力固定条件下，从圆轨道进入共面圆轨道一次入轨最节省燃料的推力方向控制策略。这类问题都可归结为两点边值问题，对自由初值的选取作了讨论，并采用打靶法迭代求解。计算了从停泊轨道到同步转移道以及两个过地圆轨道之间的最优转移，获得满意的结果。     

小推力轨道保持方法

对小推力轨道保持方法进行了研究。用快、慢变量控制器分别控制轨道要素的快慢变量,基于推导的经典轨道要素与2个推力方向角和最佳变轨位置的关系,给出了最优推力方向角的解析表达式。用Lyapunov反馈控制实现卫星轨道机动的轨道转移,并引入相位调整,实现了卫星的站位保持。仿真结果表明:基于Lyapunov的反馈控制可实现小推力轨道的转移和保持。     

基于轨道动力学的椭圆轨道悬停方法

连续有限推力条件下,基于动力学原理设计了伴随卫星相对于椭圆轨道的参考卫星在任意位置实现悬停的方法。给出了对任意椭圆参考轨道实现悬停的开环控制律,推导了一个周期内的速度增量计算公式。特别分析了参考卫星为“Molniya”轨道时,实现悬停需要的控制推力及速度增量。仿真结果表明,“Molniya”轨道正下方 1 km 的悬停伴飞,一个轨道周期时间内连续有限推力发动机需要产生的速度增量为10.317 m／s。文章提出的方法也可用于椭圆轨道的空间圆或水平圆等非自然编队构型设计。     

椭圆轨道卫星对地全球覆盖电推进控制

针对椭圆轨道卫星近/远地点的星下点对全球或特定纬度区域的访问问题,提出一种连续小推力下的对地覆盖控制策略。首先,推导了自然摄动对卫星拱线变化的影响,并探讨了进行小推力覆盖控制的必要性。然后,针对燃料消耗的优化问题,将控制方程展开成含傅里叶级数的形式,用以获得便于星上计算的解析形式的次优解,同时探讨了截取阶数与优化程度的关系。在进行拱线控制的同时,通过合理设置约束,对椭圆轨道的近地点高度进行保护,确保卫星安全运行。仿真结果表明,提出的方法能够以适当的燃料消耗代价实现椭圆轨道的近/远地点的全球覆盖控制或特定纬度区域的反复推扫,且控制力在可接受的范围内。     

同步卫星E/W轨道控制盒划分策略

对于当代同步轨道通信卫星来说,星载设备寿命一般都高于星载燃料使用寿命,因此卫星设计寿命都是以星载燃料消耗殆尽为依据的。卫星轨道保持不仅是卫星测控任务的重要工作之一,同时也是星载燃料消耗的主要途径。文中从卫星平经度漂移量、测站定轨精度、星载推进器推力误差、卫星南北机动对东西方向耦合等多方面探讨同步轨道通信卫星E/W轨道保持策略,介绍一种细化轨道控制区间、估算偏心率控制圆半径范围的方法。     

绕飞轨道(绕飞角＞360°)动力学和控制策略--微小卫星一种新的应用概念

本文研究微小卫星围绕空间站飞行，监视空间站运行和外观状态，减少航天员舱外活动。这是小卫星一种新的应用概念。文章主要研究绕飞轨道动力学和稳定性，以及在有摄动情况下保持绕飞轨道的控制策略。这种控制策略所消耗燃料非常少，根据仿真实验结果，绕飞卫星一个月时间仅消耗燃料的速度增量约为３～４ｍ／ｓ。     

水平推力作用下共面椭圆轨道的最优转移

本文研究在两次水平推力作用下共面椭圆轨道的转移问题,给出了冲量大小和作用点位置的计算公式,文中还讨论了圆到圆、椭圆到圆这两种特殊情况的轨道转移,并给出了数值例子。     

邻近近圆轨道两个飞行器的最优交会

邻近近圆轨道上两个飞行器的相对运动可以用线性化Ｃ—Ｗ方程描述。本文利用线性化Ｃ—Ｗ方程研究了常推力作用下两个飞行器的固定时间最省燃料交会问题，给出了最优推力作用的开关函数和最优推力方向的计算方法。     

远程导引变轨方案修正算法

为在实际摄动条件下由远程导引变轨方案初始设计结果实现追踪航天器与目标航天器的交会,提出了一种修正变轨方案。将初始多脉冲式变轨方案转换为有限推力式并作修正,取远程导引结束时刻追踪与目标航天器间的相对轨道要素为目标函数,采用J2,J3,J4解析轨道预报器对目标函数计算需要的轨道进行预报,以历次变轨开始时刻、结束时刻和推力方向为优化变量,用边界约束有限存储BFGS(L-BFGS-B)优化算法获得的最优解为修正后的变轨方案,可消除摄动模型误差。算例结果表明,经转换和修正所得有限推力式变轨方案能在实际摄动条件下实现追踪航天器与目标航天器的交会。     

天问一号环绕器中继轨道受摄共振特性分析

“天问一号”环绕器在环火中继轨道为“祝融”火星车提供中继服务时,星下点出现了过着陆点纬度时的经度先增大再减小的特殊漂移现象,需要对该现象产生的原因进行深入分析。基于摄动理论设计了一系列数值实验,提出了一种星下点过指定纬度时经度的简化计算方法;并结合对田谐项引力场位函数的解析推导发现,由于中继轨道周期与火星自转周期比接近1:3,导致3阶3次田谐项产生了轨道共振,从而使得半长轴长周期运动有着较为显著的振荡,进而与带谐项摄动联合导致了该特殊现象。研究揭示了“天问一号”环绕器的轨道共振现象,发现了高阶田谐项对非同步轨道上的环火卫星仍能产生较为明显的轨道共振现象。研究结果可为后续火星环绕探测任务轨道设计提供重要参考。     

考虑J_2摄动作用的异面椭圆轨道双冲量交会轨道修正方法

重点研究了地球扁率J2摄动作用对固定时间双冲量异面椭圆轨道交会运动的影响以及相应的轨道修正方法.根据摄动理论,利用Eneke法计算了J2摄动作用引起的实际飞行轨迹与理论标称轨迹之间的位置偏差.在此基础上,提出了通过修正预定的交会位置来修正转移轨道偏差的控制方法.通过仿真计算,对修正前后的位置偏差进行了仿真分析,结果表明,文中提出的轨道修正方法能够有效地减小摄动作用引起的制导误差,且方法简洁、易于实现.     

目标天体极轨道卫星的轨道寿命

星际探测器轨道的特征与探测目的密切相关，对目标天体两级地区进行探测显然采用的是极轨道（或接近极轨道）。对于这类卫星（或称轨道器），如果轨道半长径较大，则会因第三体报骚动国导致轨道偏心率增大，使其近星距减小到等于目标天体的赤道半径而落到该天体上，结束其运动寿命，即使目标天体不存在大气（如月球等）亦会如此。     

Constant-thrust glideslope guidance algorithm for time-fixed rendezvous in real halo orbit

This paper presents a fixed-time glideslope guidance algorithm that is capable of guiding the spacecraft approaching a target vehicle on a quasi-periodic halo orbit in real Earth–Moon system. To guarantee the flight time is fixed, a novel strategy for designing the parameters of the algorithm is given. Based on the numerical solution of the linearized relative dynamics of the Restricted Three-Body Problem (expressed in inertial coordinates with a time-variant nature), the proposed algorithm breaks down the whole rendezvous trajectory into several arcs. For each arc, a two-impulse transfer is employed to obtain the velocity increment (delta-v) at the joint between arcs. Here we respect the fact that instantaneous delta-v cannot be implemented by any real engine, since the thrust magnitude is always finite. To diminish its effect on the control, a thrust duration as well as a thrust direction are translated from the delta-v in the context of a constant thrust engine (the most robust type in real applications). Furthermore, the ignition and cutoff delays of the thruster are considered as well. With this high-fidelity thrust model, the relative state is then propagated to the next arc by numerical integration using a complete Solar System model. In the end, final corrective control is applied to insure the rendezvous velocity accuracy. To fully validate the proposed guidance algorithm, Monte Carlo simulation is done by incorporating the navigational error and the thrust direction error. Results show that our algorithm can effectively maintain control over the time-fixed rendezvous transfer, with satisfactory final position and velocity accuracies for the near-range guided phase.     

伴随卫星的燃料-时间优化回收

伴随卫星回收是伴星应用中的一项主要技术。航天任务需求对伴星回收问题不仅提出了最省燃料要求，而且提出了最小时间要求。本文设计了一条稳定的燃料-时间优化回收轨道。从相对运动的Hill方程出发，给出伴星回收问题描述，阐述回收轨道设计思想及稳定回收条件，提出一种有效的螺旋式回收策略，探讨参数确定方法，并对回收轨道的特点和稳定性进行分析，最后研究了燃料消耗量与回收时间及初始相位的关系。仿真结果表明，利用螺旋回收策略，可以保证伴随卫星快速、稳定回收，且能在燃料消耗量与回收时间之间寻求最佳折衷。     

空天飞行器交会的轨道机动策略研究

在给出了空天飞行器(Aerospace Vehicle,ASV)的概念及任务构想之后,依据轨道动力学,结合ASV的特点,研究了ASV与目标在同一圆轨道上以及在共面不共轨圆轨道上的交会策略。其中,针对同一圆轨道上的交会分析了椭圆轨道机动和快速机动两种交会方案,对共面不共轨圆轨道上的交会讨论了霍曼轨道机动、双椭圆轨道机动以及快速机动3种交会方案。在每一种交会策略中均详细分析了交会所需的时间、速度增量以及轨线长度等。最后通过仿真分析了各种交会策略的优劣。     

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。     

月球轨道交会任务的远程导引变轨策略研究

对国内外月球轨道交会远程导引段变轨策略的2~5脉冲变轨方案进行了比较分析,在考虑月球轨道交会飞行任务测控资源有限和航天器所带燃料受限等特点的基础上,确定了我国月球轨道交会远程导引段的变轨策略为4脉冲方案;并介绍了在4脉冲基线轨道方案的基础上,进行标称轨道设计和月面上升窗口初步分析的结果。研究结果可为我国月球轨道交会对接任务提供参考。     

非开普勒轨道下卫星交会变轨决策研究

针对卫星在非开普勒轨道下的运动特征,提出了研究卫星交会变轨决策的方法。首先,在Hill坐标下,采用比例导引方法求解卫星进行变轨机动时所需要的速度增量。然后,再通过Lagrange插值算法解出卫星在任意特征点上变轨机动所需要的速度增量,根据数字仿真得出大量的仿真数据并画出满足变轨决策条件的决策曲面。最后,对决策曲面的涵义做出分析,说明了该方法对于研究非开普勒轨道下卫星变轨决策问题具有一定的意义。