空间目标碰撞预警的协方差计算与应用

碰撞概率是碰撞预警工程中空间目标危险交会的重要判据之一,其计算精度会受到预报协方差计算精度的影响. 本文统计计算了两种形式的预报协方差. 一是利用精密数值预报模型对卫星精密根数进行预报,将预报根数与精密根数的差作为样本,统计得出1～7天不同预报期的预报协方差;二是采用 SGP4/SDP4预报模型对TLE数据进行预报,将预报根数与TLE根数的差作为样本,统计得出1～7d不同预报期的预报协方差. 分别分析两种方法中包含变轨过程和无变轨情况下的轨道预报精度. 结合2012年某低轨道卫星的危险交会,分析了采用不同协方差时,协方差精度对碰撞预警精度的影响. 协方差计算可为实际碰撞预警工程提供参考.      

基于航天器解体事件的空间碎片寿命算法

研究了针对航天器解体事件所生成的空间碎片的寿命计算方法.给出了基于NASA标准航天器解体模型的航天器解体算法.该算法生成的一系列碎片参数,将作为寿命计算的初始条件.总结了现有求解碎片寿命的算法,并提出了一种半分析算法.该算法运用平均根数法的思路,计算了在J2摄动项的影响下,碎片的半长轴和偏心率的变化率;并采用微分积分法预报半长轴和偏心率随时间的变化.为了适应时变大气模型,该算法限制了计算步长.通过与数值法的比较分析了算法的计算速度和精度.选用了3种大气模型:SA76、GOST和MSIS-00,分析了不同大气模型在计算碎片寿命之间的差异.通过与P-78卫星解体事件的实测数据对比验证了整个算法的正确性.      

miniSAR卫星精密参考轨道设计

为满足轻小型合成孔径雷达(miniSAR)卫星干涉测量任务对空间基线的要求,通过分析卫星参考轨道特性,建立了一套精密参考轨道设计算法。所建算法以miniSAR卫星成功入轨后的一组定轨数据及根据参考轨道特性解析得到的参考轨道预估值为输入,基于仅考虑中心天体非球形高阶引力摄动的轨道外推模型、Eckstein-Hechler平根模型及嵌套式迭代修正方法,设计输出其任务周期内使用的参考轨道。数值实验表明:所建算法设计的参考轨道生成的参考轨迹在三维空间的回归精度优于0.01 m,满足实际工程应用需求。      

横向连续推力小偏心率人工冻结轨道设计

非临界倾角自然冻结轨道要求近地点幅角为90°, 偏心率在1× 10-3量级, 并且偏心率与轨道倾角和半长轴有特定的对应关系, 苛刻的要求极大地限制了轨道根数选择的多样性. 研究表明, 施加常幅值、方向半轨道周期切换的横向连续小推力可以形成任意轨道根数的小偏心率人工冻结轨道, 放宽自然冻结轨道对轨道根数的严苛限制. 维持小偏心率人工冻结轨道的横向连续推力a_T与半长轴的平方根成正比, 与偏心率大小成反比; 在临界倾角i_c附近, 推力a_T与倾角偏置量Δi近似呈正比, 且长期维持的燃料消耗较小. 此外, 在进行仿真计算时还需考虑拟平均轨道根数与瞬时轨道根数的转换.      

基于状态转移矩阵的航天器多脉冲悬停方法

基于航天器相对运动的状态转移矩阵描述,研究了空间相对悬停的多脉冲控制方法,解决了工程实践中连续推力悬停轨道控制技术对航天器控制推进系统要求较高的难题。给出了两航天器在圆、椭圆和双曲线等圆锥曲线参考轨道上相对运动的状态转移矩阵描述。在此基础上,定性分析了椭圆参考轨道偏心率对悬停精度的影响,推导了航天器多脉冲悬停速度脉冲控制量的计算方法。数值仿真算例显示,该方法可有效实现一定悬停精度要求下的空间相对悬停控制,且随着一个轨道周期内脉冲数的增加,相对悬停的效果得到提升。     

平均相对运动方程及其在卫星编队构型维持中的应用

针对近地轨道卫星相对运动过程中的周期变化特性,利用轨道周期平均方法给出了平均相对运动方程,并在此基础上设计了两种编队构型维持策略.首先,推导出以轨道根数差分表示的平均相对运动方程,该方程能有效消除相对运动的周期性变化.其次,针对大气阻力摄动和J2项摄动,利用轨道平均根数的线性化递推公式,给出了平均相对运动轨迹的预报方程,通过事先预报编队飞行的平均轨迹,为编队构型设计和保持控制提供参考依据.最后通过数学仿真对两种编队构型维持策略进行了验证.     

圆轨道航天器在轨加注任务空间燃料站部署问题

在轨服务技术因在航天器故障修复、寿命延长及军事方面有重大辅助作用而越来越受到各航天大国的重视,作为在轨服务技术重要组成部分的在轨燃料补给技术也越来越受到关注。文章针对圆轨道航天器在轨燃料加注任务,将空间燃料站技术与多目标在轨加注技术相结合,对基于燃料站的在轨加注模式进行了研究,提出了一种基于聚类分析的在轨加注任务调度及优化算法。通过对双脉冲轨道转移问题的求解与分析,获得了轨道转移速度增量和轨道参数之间的关系,在此基础上分析了圆轨道航天器在轨加注任务调度问题,并根据调度模型的变量和约束关系,建立了圆轨道航天器在轨加注任务多目标规划模型,并采用免疫遗传算法对加注任务调度空间燃料站选址问题进行了研究。以30颗目标航天器的在轨加注任务为例进行了数值仿真,并由燃料消耗的计算结果验证了算法的有效性。     

原子氧对航天器表面材料作用的数值模拟

对氏地球轨道环境对航天器表面材料的影响和航天器表面材料的低地球轨道环境寿命评定方法进行了介绍;并对低地球轨道环境和地面试验环境下,有无保护涂层的业胺所受冲蚀作用进行了成功的数值模拟,获得了具有工程应用价值的数值计算结果。该工作对航天器的设计具有指导意义。     

原子氧对航天器表面材料作用的数值模拟

对低地球轨道环境对航天器表面材料的影响和航天器表面材料的低地球轨道环境寿命评定方法进行了介绍,并对低地球轨道环境和地面试验环境下,有无保护涂层的聚酰亚胺所受冲蚀作用进行了成功的数值模拟,获得了具有工程应用价值的数值计算结果.该项工作对太空航天器的设计具有重要的指导意义.      

空间激光干涉引力波探测器轨道修正方法

针对空间激光干涉引力波探测器轨道修正问题,提出一种基于虚拟编队构型设计的航天器轨道修正方法。空间激光干涉引力波探测器由3颗航天器组成等边三角形构型。由于入轨误差和摄动的影响,探测器的构型不稳定。假设名义轨道上运行着一颗理想航天器,实际轨道上的真实航天器与之组成虚拟编队,探测器的3颗真实航天器分别与对应的理想航天器组成3个虚拟编队。考虑探测器构型稳定性要求和摄动的影响,对虚拟编队的构型进行设计,进而求解航天器平均轨道要素修正量。求解得到的航天器平均轨道要素修正量小于偏差量,轨道修正通过四脉冲控制实现。数值仿真结果表明,该方法通过部分轨道修正满足了探测器的构型稳定性要求,具有减少燃料消耗、延长任务寿命的潜力。      

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.      

Orbit determination by genetic algorithm and application to GEO observation

This paper demonstrates an initial orbit determination method that solves the problem by a genetic algorithm using two well-known solutions for the Lambert’s problem: universal variable method and Battin method. This paper also suggests an intuitive error evaluation method in terms of rotational angle and orbit shape by separating orbit elements into two groups. As reference orbit, mean orbit elements (original two-lines elements) and osculating orbit elements considering the J2 effect are adopted and compared. Our proposed orbit determination method has been tested with actual optical observations of a geosynchronous spacecraft. It should be noted that this demonstration of the orbit determination is limited to one test case. This observation was conducted during approximately 70 min on 2013/05/15 UT. Our method was compared with the orbit elements propagated by SGP4 using the TLE of the spacecraft. The result indicates that our proposed method had a slightly better performance on estimating orbit shape than Gauss’s methods and Escobal’s method by 120 km. In addition, the result of the rotational angle is closer to the osculating orbit elements than the mean orbit elements by 0.02°, which supports that the estimated orbit is valid.     

伴随轨道拟合技术

航天器的伴随轨道可以执行各种特殊任务。文中给出一种从伴随轨道确定两个航天器轨道要素的方法,这一方法也可推广应用于多个航天器的情况。     

Halo轨道族延拓方法及特性研究

对Halo轨道周期和运动范围等特性的研究是平动点任务设计的首要前提。针对大幅值Halo轨道和完整Halo轨道族的应用需求及其数值计算问题,面向当前应用广泛的地月系和日-地月系共线平动点,基于延拓法研究了圆型限制性三体问题下的Halo轨道族数值计算和运动学特性,给出了Halo轨道族延拓计算方法。数值仿真了族参数选择对轨道族计算的影响,得到了地月系和日-地月系共线平动点的大范围南北Halo轨道族,同时给出了轨道族的轨道周期变化和空间位置变化特性。研究结果表明,固定延拓步长下,L1点Halo轨道族应选择会合坐标系x坐标作为族参数,L2点Halo轨道族应选择y方向速度或者周期T作为族参数。方法适用于任意三体系统平动点的周期轨道族计算,特别是对其中的状态转移矩阵简单修改后可用于完整力模型下的Halo轨道（族）的数值设计。     

单个航天器对Walker星座中多卫星的近距离接近

通过设计航天器轨道,可使航天器发射入轨后无需机动即实现对Walker星座中非共轨的多颗卫星的快速、近距离接近.给出了该轨道的搜索方法以及基于星座特性的代换法,并给出了仿真示例.      

圆及椭圆轨道释放绳系子星的方法研究

研究绳系卫星系统质心沿椭圆轨道运动时，子星释放的最佳初始条件，运用变量替代简化动力学控制方程；对圆轨道运动的母星，采用轨道转移方法释放子星，计算弹射变轨参数及过渡轨道终了真近点角。本文取消母星质量远大于子星质量的假设，考虑子星释放过程中绳系卫星系统质心随子星运动的变化，所得结果更具有普遍意义。数值模拟结果表明，所述方法的有效性。     

多站连续波跟踪雷达的测速定轨研究

连续波跟踪测量系统中,测距元通道通常存在较大的系统误差,并且有时出现个别测元数据质量较差,不能应用的情况,而其变化率及其多站测速系统提供的测速数据,精度较高,且测元多,是否可以利用测速元数据直接定轨,精度如何,在实际数据处理及应用中具有重要意义。文章对利用测速元进行航天飞行器定轨进行了详细的研究和大量的计算,获得了相应的理论和计算结果,通过比较,提出了利用样条函数非线性估计轨道的方法,并提供了具体的算法和相应的误差估计公式。理论分析和计算结果表明：该方法轨道估计精度高,成功地解决了测速定轨问题,在实际中有广泛的应用价值。     

卫星对空间目标悬停的轨道动力学与控制方法研究

首先,给出了卫星悬停的轨道动力学模型,然后提出了悬停轨道的一种"持续式"的开路轨道控制策略,即通过在一段时间对轨道实施连续有限推力控制,使得在这段时间内卫星运行在新的悬停轨道上,而非开普勒轨道。最后,以地球静止轨道卫星为目标星,研究了悬停轨道的实施途径,并进行了数学仿真。仿真结果表明,在一段时间内对空间目标实施轨道悬停是可行的。     

RadioAstron orbit determination and evaluation of its results using correlation of space-VLBI observations

A crucial part of a space mission for very-long baseline interferometery (VLBI), which is the technique capable of providing the highest resolution images in astronomy, is orbit determination of the mission’s space radio telescope(s). In order to successfully detect interference fringes that result from correlation of the signals recorded by a ground-based and a space-borne radio telescope, the propagation delays experienced in the near-Earth space by radio waves emitted by the source and the relativity effects on each telescope’s clock need to be evaluated, which requires accurate knowledge of position and velocity of the space radio telescope. In this paper we describe our approach to orbit determination (OD) of the RadioAstron spacecraft of the RadioAstron space-VLBI mission. Determining RadioAstron’s orbit is complicated due to several factors: strong solar radiation pressure, a highly eccentric orbit, and frequent orbit perturbations caused by the attitude control system. We show that in order to maintain the OD accuracy required for processing space-VLBI observations at cm-wavelengths it is required to take into account the additional data on thruster firings, reaction wheel rotation rates, and attitude of the spacecraft. We also investigate into using the unique orbit data available only for a space-VLBI spacecraft, i.e. the residual delays and delay rates that result from VLBI data processing, as a means to evaluate the achieved OD accuracy. We present the results of the first experience of OD accuracy evaluation of this kind, using more than 5000 residual values obtained as a result of space-VLBI observations performed over 7 years of the RadioAstron mission operations.