含无质量系绳的卫星系统平面运动和常规动力学

研究绳系卫星系统在同一轨道平面内运动，由子星－母星之间相对位置向量描述，亦即由该向量的长度变化和方位角的化而决定，在引入距离速率控制算法之后，系统的动力学主要由方位角运动而定，当母星轨道为圆形时，系统运动状态具有极限点，而在椭圆轨道下则有极限环，采用了非线性动态系统的方法和技术来计算极限状态和分析它们的稳定特性，用本文中方法对TSS－1以及其他绳系卫星系统方案作了数值模拟。     

二体绳系卫星系统冲击效应动力学与试验研究

为了研究冲击效应对二体绳系卫星系统动力学特性的影响，开展了基于绝对节点坐标法的柔性绳索模型及绳系卫星系统运动特性分析研究。首先介绍了绝对节点坐标法柔索模型的建立过程，并进行了动力学仿真实验，在仿真时充分考虑了柔索的轴向刚度矩阵、弯曲刚度矩阵以及质量矩阵，可在不增加计算量的同时保留系绳真实特性。最后，搭建了三自由度的二体绳系卫星地面模拟试验系统，在规格为20 m×30 m的大型气浮平台上开展了试验验证，对末尾释放阶段和初始回收阶段系绳的张力以及子星的运动状态进行了分析。验证结果表明：地面模拟试验与仿真实验相比，系绳张力误差均在5%以内，验证了该建模方法的有效性和所搭建的试验系统的可靠性，同时为绳系卫星的未来发展和地面试验的进一步展开奠定了基础。     

绳系卫星部署阶段的动力学分析

绳系卫星系统部署阶段末时刻状态决定着其编队飞行的初始状态，为了研究不同因素对绳系卫星系统部署阶段运动的影响，本文建立了一种简单的平面哑铃模型，将系绳视作有阻尼的弹簧，两个卫星视作刚体，考虑重力梯度力矩。通过仿真，发现系绳释放的速度和副星推力是影响绳系卫星系统部署阶段稳定性的主要因素。     

绳系卫星释放及工作态动力学分析

考虑强系卫星系统强索质量的影响，导出三维空间动力学方程，运用Pontryagin极小值理论求出释放过程中张力优化控制规律；得到最佳释放速度变化曲线，对子星工作阶段进行动力学分析。讨论系统质心沿椭圆轨道运动与姿态运动的耦合，文中附有算例。     

绳系系统轨道机动过程中的面内摆角抑制

摘要： 针对绳系卫星系统轨道机动过程中面内摆角抑制问题进行控制器设计.仅考虑面内摆角子系统下,针对绳系系统的动力学模型,提出了分层迭代非线性滑模控制方法.证明控制方法设计的控制律使系统所有状态渐近稳定.通过数学仿真验证方法的有效性和优势.     

绳系卫星横向振动的控制方法

研究绳系卫星绳索横向振动问题。首先建立绳索振动方程,由Pontrgasin方法求得抑制绳索横向振动的纵向优化控制力。实现方式为开启母星体内的电机控制绳长使星体产生加速度,星体惯性力导致绳轴向附加张力。      

基于非线性模型预测的绳系系统系绳摆振控制

针对绳系系统离轨稳定控制问题,开展了系绳和绳端卫星构成的绳系系统在拖拽离轨过程中系绳摆动稳定控制方法研究。在考虑拖拽离轨过程中约束下,首先建立了包含绳端卫星的姿态运动的模型,并建立了绳系系统的离轨动力学方程和便于控制器设计的简化动力学方程。其次根据模型预测原理以最优化方法设计参考轨迹,最后以模型预测控制方法为基础设计了稳定系绳摆动的非线性模型预测控制方法。使用MATLAB软件平台仿真,验证了所设计的参考轨迹能完成目标和模型预测控制器有好的跟踪能力。      

一组新的绳系卫星系统广义坐标

应用一组新的六维广义坐标,在一个统一的力学系统中,研究在外摄动力（地球非球形引力与大气阻力等）及系绳拉力的作用下,绳系系统质心在惯性空间的轨道运动,以及该系统相对于质心的相对运动。系绳模拟为具有质量的弹性连续体,系绳两端的空间飞行器假设为点质量。下列变量取为力学系统的广义坐标：系统质心的向径、赤经、赤纬,主星与子星之间的距离,以及系绳相对于系统质心子午面的两个欧拉角。经典的质心轨道根数,以及系绳在质心轨道面内与轨道面外的摆动角,均可由上述六个广义坐标及其广义速度确定。     

空间绳系拖拽系统摆动特性与平稳控制

考虑了任务星与废星的姿态运动以及系统组合体的面内外姿态运动,建立了绳系拖拽离轨系统动力学与控制模型,以切向常值推力下绳系拖拽轨道转移为任务过程,分析了任务星在喷气和零动量轮的限制姿态反馈控制条件下飞行时,废星姿态摆动、系统组合体面内外摆动和任务星姿态运动的规律及相互影响关系。采用留位和阻尼控制相结合的系绳张力复合控制方法,并结合任务星姿态控制,确保绳系拖拽转移安全平稳进行。仿真结果表明:常值推力下绳系拖拽轨道转移时,牵挂点偏置诱发的废星姿态周期性摆动会激发绳系组合体的面内外同频率高阶摆动,星体姿态运动是任务星姿态扰动力矩产生的主要因素;采用张力复合控制可有效消除废星姿态摆动并保持星间相对距离,结合任务星姿态控制,可实现离轨过程的平稳与安全,大幅减少任务星的姿控能耗。      

空间微重力组合体及其控制

空间微重力组合体是绳系卫星系统的升级版,有更强大的功能和应用前景。可是在无控状态下,新旧两款系统的留位（系绳伸出长度不变）和回收（系绳回卷收缩）运动都不稳定,必须置入有效的控制算法才能使其稳定运行。从绳系卫星的简化动力学模型入手,抓住微重力和动态运动中的惯性力相互关系,推导出基础型和扩展型的距离速率控制算法,简明有效地抑制这些系统的不稳定运动和改进空间组合体在轨交会对接控制技术。该算法也可应用于有分布质量和弹性变形的连续系绳的动力学模型以及其他更复杂的绳系卫星（家族）系统的控制中。     

一种空间目标高精度指向控制方法

针对空间动目标指向任务对卫星提出的高精度控制需求,研究了卫星星体/快反镜二级复合系统的指向控制问题,给出了一种空间运动目标高精度指向控制方法。首先,基于近圆轨道Clohessy Wiltshire方程获得追踪卫星与目标卫星的位置信息;然后,基于扩展Kalman滤波算法进行多信息融合确定追踪卫星姿态参数,并实时解算出追踪卫星载荷光轴与目标卫星的相对姿态,获得跟踪指向所需的方位角和俯仰角;最后,通过星体一级姿态控制和基于快反镜的载荷光轴二级指向控制,实现对目标卫星的快速、高精度指向。仿真结果表明,该方法可以在保证快速性的同时实现动态指向控制误差小于072″。该方法可以实现对空间目标的高精度指向控制,为未来空间中激光通信等航天任务提供技术支持。     

空间核电推进系统比质量优化建模及其木星探测应用分析

空间核电推进(Nuclear Electric Propulsion,NEP)系统是一种将核热能转换成电能,并驱动大功率电推力器而产生推力的革命性空间推进技术。和传统推进技术相比,NEP具有高比冲、大功率、长寿命等技术优势,非常适合未来大规模深空探测任务。基于NEP系统组成和小推力轨道理论,建立了以有效载荷为目标的NEP系统比质量优化模型。该模型能够解析NEP航天器的轨道运行时间、比质量、功率与有效载荷比的复杂耦合关系,为任务优化提供了计算依据。最后,利用该模型对NEP系统完成NASA "Juno号"航天任务进行了技术指标评估分析。计算表明,当NEP系统比质量达到4.8 kg/kWe时,其能将"Juno号"航天任务的地木转移时间由2 266 d缩短至665 d,有效载荷由160 kg提高到1 179 kg,极大地提高了航天器的探测能力,为任务方案的可行性论证和后续设计提供参考。     

CubeSail: A low cost CubeSat based solar sail demonstration mission

CubeSail is a nano-solar sail mission based on the 3U CubeSat standard, which is currently being designed and built at the Surrey Space Centre, University of Surrey. CubeSail will have a total mass of around 3 kg and will deploy a 5 × 5 m sail in low Earth orbit. The primary aim of the mission is to demonstrate the concept of solar sailing and end-of-life de-orbiting using the sail membrane as a drag-sail. The spacecraft will have a compact 3-axis stabilised attitude control system, which uses three magnetic torquers aligned with the spacecraft principle axis as well as a novel two-dimensional translation stage separating the spacecraft bus from the sail. CubeSail’s deployment mechanism consists of four novel booms and four-quadrant sail membranes. The proposed booms are made from tape-spring blades and will deploy the sail membrane from a 2U CubeSat standard structure. This paper presents a systems level overview of the CubeSat mission, focusing on the mission orbit and de-orbiting, in addition to the deployment, attitude control and the satellite bus.     

On tethered sample and mooring systems near irregular asteroids

A tethered asteroid sample and mooring system is investigated in this paper. In this system the spacecraft is moored to the surface of an irregular asteroid such as 216 Kleopatra by using a rocket-propelled anchor with a cable. The rocket-propelled anchor is a kind of space penetrator, which can inject into asteroids at high speeds generated by its own rocket engine. It can be used to explore the interior structure of asteroids, and it can also be used as a sample collector. When the sampling mission is done, the sample can be pulled back to the spacecraft with the anchor. Using this method, the spacecraft can be kept in a safe region in which it cannot be trapped by the gravitational field of the asteroid. This work is concerned with the dynamics of the tethered system near irregular asteroids. First, a shape model and gravitational field model of irregular asteroids are built. Then, the configuration and the stability of the tethered system are investigated, and the quasi-periodic motion near the equilibrium point of the tethered system is analyzed. Finally, the non-uniform density distribution of the asteroids is considered. The deployment process and the oscillation of the tethered system in the uncertain asteroid gravity field are simulated using the Monte Carlo method. The feasibility of the tethered asteroid sample and mooring system is proved.     

星上运动部件对气象卫星姿态影响的研究

以中国下一代静止轨道气象卫星为对象,分析了有效载荷扫描镜运动和太阳翼步进运动对卫星姿态的影响。结果表明,有效载荷的正常扫描运动和太阳翼的步进运动对卫星姿态的影响很小,但有效载荷的黑体校准运动对卫星姿态的影响很大,必须进行补偿控制,否则卫星有效载荷扫描镜的指向精度无法满足设计要求。     

一种多步的基于切换星间测量的多星自主导航算法

针对基于星间测量的多星自主导航问题,从载荷优化和节约成本考虑,提出了一种单套敏感器切换测量的导航方案。建立了该导航方案下的系统状态空间模型,并基于扩展卡尔曼滤波方程给出了导航估计算法。基于多步卡尔曼滤波方法,将集中的滤波算法解耦为多个平行的子滤波器,使计算量降低到原算法的50%以下,并且在切换测量的导航方案下,部分解耦出的子滤波器可以只预测不更新,能够进一步地降低计算负担。给出了多步滤波算法的推导过程,证明了其与标准卡尔曼滤波的数学等价性,故算法的估计性能及计算结果与标准卡尔曼滤波一致,但计算速度有明显提升。最后,通过具体算例给出了算法的仿真验证。     

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.      

空间惯性定向姿态卫星数传链路设计

对于采用空间惯性定向姿态的卫星,其在数传设备工作期间不能保证固定安装在星体上的发射天线波束准确指向地面站,这给有效载荷高速数传提出更高技术要求. 研究了这类卫星在轨运行时其姿态相对地面站的变化规律,利用STK软件提供的卫星轨道仿真分析结果,寻找数传天线波束中心轴的较好指向,得到不同天线波束宽度能够实现的卫星对地数传时间. 通过研制140°波束范围内0dBi增益天线,在链路设计上保证了传输速率85Mbit·s-1时有足够的余量. 在星载设备小型化约束（质量10kg、功耗80W）条件下,采用小型化宽波束天线以及固态功放解决了空间惯性定向姿态卫星的有效载荷数据传输问题,设计方案满足相关任务要求.      

利用TLE数据分析LEO卫星轨道异常的新方法——————综合判据法

及时准确地发现在轨卫星的轨道异常意义重大. 通过有效的异常算法, 能够找出发生轨道异常的碎片或航天器, 为空间碎片碰撞预警系统分析和验证碰撞事件提供数据支持. 通过对利用TLE (Two Line Elements)数据分析LEO在轨卫星轨道异常的方法研究, 提出了一个利用单个卫星相邻根数时间差控制加综合判据的判别方法. 分析表明, 相对于取单一因素阈值的判别方法, 综合判据法能够最大限度地减少漏判, 并且保持相对较高的判断准确率.