同平面LEO-LEO气动辅助空间交会

给出了实现同平面LEO-LEO空间交会的必要条件，分析了基于脉冲的主动调相方法，并重点研究了基于气动辅助轨道转移技术实现同平面LEO—LEO的空间交会方案。通过设计标准的同平面HEO—LEO气动辅助轨道转移最优轨迹，得到OTV与目标实现交会必须满足的标准相角，然后采用主动调相法使飞行器运行到高轨道时，恰好满足HEO—LEO气动辅助空间交会的标准相角，最后借助气动辅助轨道转移技术实现空间交会。该方法具有扩大发射窗口，且比基于脉冲主动调相法节省燃料等优点。     

GEO编队空间机器人系统交会方法

针对地球静止轨道（GEO）上被服务航天器的远距离和非合作特点,提出一种高自主、高协同、多任务的编队空间机器人在轨服务系统方案,实现对非合作目标的自主交会接近。首先,分析GEO卫星轨道约束力小的轨道特征和非合作的信息交互特征,给出由操作空间机器人和监视空间机器人组成的编队在轨服务系统,设计交会接近相对测量分系统以及在轨服务飞行任务;接着,给出典型远距离交会接近的多视线相对导航方法与多冲量相对制导律;最后,进行远距离交会任务仿真校验,结果表明编队空间机器人交会接近方法是有效的。     

低轨星载光学测量确定静止卫星轨道的方法

为了研究低地球轨道(LEO)卫星对地球静止轨道(GEO)卫星的跟踪定轨能力,文章提出利用LEO星载光学测量技术对GEO卫星进行轨道确定.文章充分考虑光学可视条件与星载相机的观测区域,对LEO卫星跟踪GEO卫星的空间环境以及测量模式进行模拟.利用模拟得到的测角数据采用数值方法对GEO卫星进行定轨并与参考轨道进行重叠对比....     

多约束交会对接发射窗口的分析和规划

针对交会对接任务对发射窗口的轨道日照角、光学导航测量设备阳光抑制角和轨道共面等多项约束,建立了交会对接发射窗口计算数学模型,给出了交会对接发射窗口计算方法与流程,分析了各种约束对交会对接发射窗口的影响。计算并构建了交会对接任务目标飞行器和追踪飞行器的年度日照发射窗口集合。按照2种任务规划思路分别给出了确定目标飞行器和追踪飞行器年度共面窗口集合的方法,为多约束交会对接年度发射窗口的日窗口和时刻窗口的分析和规划提供了清晰的结果。仿真结果验证了交会对接年度发射窗口集合的正确性和有效性,模型、方法和结果可作为交会对接任务发射窗口分析和规划的依据。
     

利用协方差矩阵研究有限多次点火时轨道转移误差

以低加速度从航天飞机的低地球轨道转移到对地静止轨道,需要有限多次点火。在这种情况下,轨道转移入轨误差的研究变得较为复杂。一般说来,协方差解析法不适用了,必须采用半解析法或数字法。本文经过论证指出,可以在近地点点火段采用半解析法,在远地点点火段采用解析法,从而可以节省大量计算时间。本文给出了近地点点火、远地点点火和轨道滑行段的传递矩阵,也给出了轨道元素协方差转换矩阵。文中还详细介绍了计算机程序的流程图和检验方法。最后给出了一个计算实例。     

基于GEO带观测的天基光学监视系统设计

基于重访周期对GEO带观测的天基光学空间监视系统进行了设计.首先,在建立重访周期与轨道高度、扫描带宽度关系的基础上,对监视卫星轨道进行了设计;其次,为延长对GEO带的观测时间,通过调整相机指向使其垂直于卫星轨道面,并与卫星本体+Y方向一致,对相机指向进行了设计;最后,基于GEO目标观测时效性要求,对天基光学监视星座进行了设计.仿真结果表明,在自然交会观测模式下,本文设计的监视系统单星4天可实现对GEO带重访一次.与SBV相比,重访周期缩短了1天,4颗卫星组成的天基监视星座每天能够对GEO带重访一次.     

一种天基光学GEO目标定位方法及初轨算法观测几何评价

提出一种基于天基光学短弧观测数据对GEO区目标进行定位的方法,以GEO区目标半径、偏心率为几何约束,通过最小二乘法估计目标位置、速度,估计结果可作为初轨算法的输入,也可以为初值预测轨道,引导其它平台对目标观测。利用广义Laplace初轨算法对多平台多观测弧段处理,为表征观测几何对定轨性能的影响,将几何精度因子(GOP)扩展到多平台多观测弧段,并引入几何精度因子的误差灵敏度(ESGOP)表征测量误差对观测几何的影响,仿真结果表明:对GEO目标而言,当GOP不小于0.03、ESGOP不大于0.005时,对目标的初轨精度可控制在50km之内。     

天基光学空间监视指向策略研究

针对如何提高天基光学监视对GEO目标的观测效率,开展了天基光学监视指向策略的研究.首先,对比分析了适合GEO带观测的几种天基光学监视轨道,并选择太阳同步晨昏轨道作为天基光学GEO目标观测轨道;其次,为充分利用光照条件并避免地影对GEO观测造成影响,分析了影响最佳指向角的2个因素——太阳矢量、轨道面法线矢量在地心惯性坐标...     

深空探测器小天体交会段自主导航方法研究

针对深空探测任务中,与小行星交会段的自主导航问题,首先建立探测器在交会段的轨道动力学模型,并提出了2种导航观测方案:1)利用目标天体图像作为观测量;2)利用目标天体视线方向和目标天体夹角作为观测量.然后结合动力学模型和观测模型推导了2种导航方法的滤波算法公式.最后通过蒙特卡罗数值仿真分析方法,估算了2种导航方法的误差值,结果表明误差值在可接受精度范围内,验证了2种自主导航方法是可行的.     

星簇结构——大型地球静止轨道卫星的革命性飞跃

"作战及时响应空间"(ORS)航天器作为一种手段,将美国"发展和利用具备军事效能的空间系统"思想转变为及时的方式。值得指出的是:目前与ORS相关的典型任务领域通常满足于低地轨道(LEO)或高椭圆轨道(HEO)航天器的支持,ORS航天器也大多强调在LEO高度范围内活动。而在应用ORS方式并利用新发展的能力替换、增强或重构地球静止轨道(GEO)系统和资产方面存在巨大的挑战,需要在体系结构层次提出新的思想。本文综合最近的国外资料,分析了现有大型单个GEO卫星在满足ORS需求方面的局限性,给出了一种新的能有效满足ORS需求的"星簇结构"概念,并对其特征与关键技术等进行了研究,这对未来ORS任务领域向更高的轨道扩展以及对GEO轨道卫星结构的发展都具有较为重要的意义和参考价值。     

天基照相跟踪空间碎片批处理轨道确定研究

随着国内外天基观测空间碎片研究的展开,文章提出了利用跟踪卫星的CCD(Charge
Coupled Device)相机对空间碎片进行轨道探测的方法,首先建立了CCD照相观测模型和基于 照相观测 的空间碎片批处理轨道确定模型。通过对CCD相机底片归算方法的分析可知,利用
CCD相机所获得的观测数据与跟踪卫星的姿态无关,且其精度只与测量和坐标转换计算的精 度有关,在测量和计算中可获得较高的精度。分别对分布密度较高的低轨道和地球同步 轨道区域的空间碎片进行了定轨分析。仿真结果表明,定轨时采用两个跟踪弧段的照相数据 定轨精度大大高于一个弧段照相数据的定轨精度;跟踪卫星距离空间碎片越近,定轨精度越 高;低轨道空间碎片的定轨精度高于地球同步轨道上的空间碎片定轨精度。
     

SBV对GEO短弧初轨确定误差分析

SBV开创了天基光学空间目标监视的先河,其主要任务是弥补地基观测站对GEO等高轨深空目标监视能力的欠缺。空间目标监视任务中,非相关目标的初轨确定具有重要意义。本文针对SBV对GEO目标的短弧段初轨确定问题,通过对短弧段测量方程系数矩阵和初轨误差的推导分析,研究短弧段初轨计算病态性和误差特性,为天基监视系统设计提供参考。     

天基红外低轨星座对目标的跟踪算法研究

建立了天基红外低轨星座对自由段目标的观测模型,考虑了精确的目标运动模型。针对天基红外低轨星座的任务特点,从收敛速度、估计精度、估计有效性以及运算效率等方面比较了批处理滤波、EKF、UKF、高阶UKF和粒子滤波等算法的性能。仿真结果表明,综合考虑各种因素的影响,UKF具有最佳估计性能,能够对天基红外低轨星座中自由段目标进行有效跟踪。该文的理论分析和仿真实验对天基红外低轨星座的跟踪滤波器设计具有重要的指导意义。     

32颗GPS卫星星座空间覆盖特性建模与仿真

GPS卫星要准确完成定位功能可见卫星数应不少于4颗.通过建立针对低轨、中高轨和大椭圆轨道目标卫星的GPS信号空间几何覆盖模型,利用Matlab计算针对低轨、中高轨和大椭圆轨道的可见卫星数,对目前美国32颗GPS卫星星座的空间覆盖特性进行仿真.仿真结果显示,32颗GPS卫星星座不仅可以对低轨目标实现全轨道覆盖,而且对中高轨和大椭圆轨道也有所覆盖,大大扩展了24颗GPS卫星星座的空间应用.     

碰撞风险评估中的空间环境激励图方法

因航天器物理特征、空间环境扰动变化、预报技术和大气模型性能等既有不确定因素的存在,空间目标碰撞概率等与轨道预报相关的评估工作存在模糊度问题,无法准确描述碰撞风险水平。文章基于碰撞概率极值,简化气动力误差模型,量化计算轨道预报相关事务的边界;提出空间环境激励图和3σ区的概念,并给出具体实施方法以及空间碎片碰撞预警、空间物体陨落预报的计算示例。计算结果表明,该方法能较好应对轨道预报相关事务中的模糊度问题,可为相关航天工程实践和决策提供参考。     

一种提高空间实验室定轨精度的方法

以近地航天器轨道动力学为基础,建立变阻力系数大气摄动模型,设计了求解变阻力系数的算法。然后利用天宫一号飞行器的测轨数据进行计算,分析了空间实验室飞行高度的轨道特性,其中包括：大气模式密度误差、变阻力系数与空间环境关系、定轨残差和星历误差。在空间环境平静和磁暴的条件下,制定了多种求解变阻力系数的策略,解决了空间实验室长弧段定轨精度受限的问题,并在空间环境平静条件下实现了优于10米的定轨精度,在磁暴条件下实现了优于20米的定轨精度。     

Biobjective planning of GEO debris removal mission with multiple servicing spacecrafts

The mission planning of GEO debris removal with multiple servicing spacecrafts (SScs) is studied in this paper. Specifically, the SScs are considered to be initially on the GEO belt, and they should rendezvous with debris of different orbital slots and different inclinations, remove them to the graveyard orbit and finally return to their initial locations. Three key problems should be resolved here: task assignment, mission sequence planning and transfer trajectory optimization for each SSc. The minimum-cost, two-impulse phasing maneuver is used for each rendezvous. The objective is to find a set of optimal planning schemes with minimum fuel cost and travel duration. Considering this mission as a hybrid optimal control problem, a mathematical model is proposed. A modified multi-objective particle swarm optimization is employed to address the model. Numerous examples are carried out to demonstrate the effectiveness of the model and solution method. In this paper, single-SSc and multiple-SSc scenarios with the same amount of fuel are compared. Numerous experiments indicate that for a definite GEO debris removal mission, that which alternative (single-SSc or multiple-SSc) is better (cost less fuel and consume less travel time) is determined by many factors. Although in some cases, multiple-SSc scenarios may perform worse than single-SSc scenarios, the extra costs are considered worth the gain in mission safety and robustness.     

Single crystal mo solar thermal thruster for microsatellites

One potentially attractive propulsion concept offering significant payload gains for orbit transfer from LEO to higher orbits, station keeping and attitude control of spacecraft is thermal propulsion using light gas (typically hydrogen) as propellant and various kinds of heat energy. Solar Thermal Propulsion (STP) is a typical thermal propulsion with high Isp (500 – 1,000 s) in an appropriate thrust magnitude range and provides possibly much less space pollution than conventional chemical propulsion.

This paper presents the test results of a 30 mm dia. (medium-sized) windowless type of single crystal Mo thruster for orbit transfer of 50 kg class microsatellites. The cavity dia. is 20 mm, double the size of the previous model, and can apply to a primary solar reflector of up to 3.5 m dia., which is the maximum size containable in the H-II rocket fairing without segmentation. The performed mission analyses indicate that this size of STP is suitable to orbit transfer of 50 kg class microsatellites, such as LEO to GEO, or only multiple apogee kicks from GTO to GEO or deep space missions.     

PCE方法在空间实验室轨道预报误差分析中的应用

应用多项式混沌展开法(PCE)进行空间实验室轨道预报误差分析。通过构建PCE模型对轨道预报的不确定性传播过程进行近似，进而对轨道预报后航天器位置和速度的误差进行分析。分析了不同PCE模型阶数、预报时长以及样本点的数目对构建PCE模型的影响。综合考虑精度和计算效率，给出了适用于空间实验室轨道预报误差分析的PCE模型。将PCE方法与传统方法进行对比，结果表明PCE方法有较好的非线性近似能力，且计算效率高，验证了PCE方法应用于空间实验室轨道预报误差分析的有效性。