地球卫星动力学定轨中摄动模型的选取

地球卫星动力学定轨中需要依据卫星轨道高度考虑不同的摄动项,以提高定轨精度。针对这一需求,分析了不同轨道高度下卫星所受的地球非球形、日月引力、太阳光压和大气阻力4种摄动项对二体模型的校正量,数值仿真表明实验结果与摄动项的力学分析相吻合,另外,给出了地球卫星动力学定轨中不同轨道下卫星摄动项的选取原则。     

高阶带谐摄动下卫星相对运动精确动力学模型

在考虑J 2 项摄动的卫星相对运动精确动力学模型基础上,推导了可以精确到任意阶带谐非球形引力摄动的卫星相对运动精确动力学模型,还给出了一组简洁的基于参考卫星轨道要素（Reference Satellite Variables）的微分方程,能够描述精确到任意阶带谐非球形引力的卫星地球轨道运动。由于在模型推导过程中没有引入任何简化,新推导的结果适用于任意偏心率的地球轨道。     

月球卫星轨道摄动及冻结轨道研究

利用理论分析、数值仿真与相图分析,论述了月球卫星冻结轨道与地球卫星冻结轨道的区别,分析结果表明,月球重力场存在较大异常,会引起月球卫星轨道发生较大漂移。月球冻结轨道在田谐项影响下,还存在中等周期的漂移。仅简单考虑带谐项系数,无法求得完美的月球冻结系数。月球重力场异常对绕月卫星的影响与地球相比存在很大区别。月球轨道卫星的长期运行与控制策略的设计,不能按照地球轨道卫星的传统方法。目前使用的月球引力模型精度较差,尽管基于这些不可靠的引力模型,可以得出很多有用结论,但对未来高精度的月球探测任务来说,还存在不足,需要在将来的月球探测任务中,探测高精度的月球重力场,以利于未来月球探测航天系统的任务分析与设计。     

基于受摄轨道模型的小卫星轨道摄动分析研究

小卫星在实际运行中受到多种摄动力的作用,这会对其轨道造成不同程度的影响,因此在小卫星的轨道设计与控制中,摄动是必须考虑的重要因素。本文以500km高的小卫星太阳同步轨道为研究对象,运用轨道摄动的基本理论,估计了地球非球形引力、大气阻力、太阳光压及第三体引力的量级并进行比较;建立小卫星轨道摄动分析模型,并在此模型的基础上,利用计算机仿真技术,对小卫星轨道摄动问题展开仿真研究,验证了几种主要摄动力的量级估计的结果,分析比较了几种主要摄动力对小卫星运行轨道的影响程度及规律,本文结果对小卫星轨道设计与控制具有很好的参考价值。     

地球轨道卫星电推进变轨控制方法

针对地球同步轨道（GEO）卫星,采用电推进系统完成转移轨道变轨。采用基于Lyapunov函数的反馈控制方法确定时间最短变轨策略。首先在开普勒模型下研究变轨过程,然后在开普勒模型的基础上考虑地球J2项摄动和地球阴影,最后在全引力模型下研究变轨过程,即在开普勒模型的基础上考虑地球非球形引力摄动、日月第三体引力摄动、太阳光压摄动和地球阴影。仿真结果显示在变轨过程中摄动项不可忽略,除地球J2项摄动外还应该考虑日月第三体引力摄动和太阳光压摄动。对比上述三组仿真结果,发现考虑摄动后轨道转移时间的增加比燃料消耗的增加更为明显。数值仿真结果表明本文研究对未来的全电推进任务具有良好的通用性和应用参考价值。     

高精度重力场下回归轨道半解析优化设计

为解决太阳同步回归轨道的标称设计问题,提出一种基于高精度重力场的半解析优化方法。建立地球非球形引力摄动阶数为J15 的高精度重力场解析模型,并分离出引力摄动的长期项和长周期项。构建回归轨道从半长轴到平交点周期的对应关系,平交点周期变化随引力摄动阶数的提高而逐渐收敛。通过微分修正迭代算法所确定的半长轴相对于传统J2摄动模型的半长轴确定值具有更高的精度和更好的稳定性。考察摄动短周期项影响下的密切交点周期,结果表明其受初始位置(平近点角)影响较大,变化范围为0.015s,并由此给出精确回归轨道优化设计的基准：不同的初始位置上满足星下点轨迹严格回归的半长轴期望值。     

低轨Walker星座构型演化及维持策略分析

针对低轨(LEO)Walker星座构型维持问题,分析在地球非球形引力和大气阻力摄动下卫星的运动规律及星座构型演化特性。结果表明,低轨Walker星座构型发散主要体现在由初始轨道参数不一致引起的轨道高度衰减和相位漂移,国内首例低轨Walker星座实测轨道数据验证了理论分析的正确性。结合星座任务特性与构型发散特点,提出了基于基准卫星的相对相位维持策略,选取一颗卫星作为基准卫星,使星座中其它所有卫星相对于基准卫星的相位漂移量累加值最小,通过对目标卫星实施一次相对基准卫星的轨道高度抬升/降低,维持星间的相对位置关系。实际工程应用表明了此策略的有效性,不仅降低星座构型维持的复杂度及频次,节约燃料,且轨控时间短,为我国今后卫星星座的构型维持提供参考。     

拟合摄动力函数在低轨卫星定轨算法中的应用

为降低卫星定轨中摄动运动方程计算的复杂性，根据低轨卫星动力学模型，在考虑二体作用力和地球非球形引力J2项摄动条件下，以拟合函数表示其余的摄动力，并采用扩展卡尔曼滤波（EKF）算法，提出了一种基于拟合摄动力函数的低轨卫星自主定轨滤波算法。仿真结果表明，该法可明显减少计算量，缩短滤波收敛时间，提高卫星的实时处理能力。定轨精度为：位置方向70．7m（1σ），速度方向0．16m／s（1σ），可满足一般低轨卫星的精度要求。     

环月轨道器运动中的月球物理天平动问题

采用类似对地球岁差章动的处理方法,讨论月球物理天平动对月心赤道坐标系 以及月球卫星轨道的影响。在对月球物理天平动的分析表达式与高精度数值历表进行比较的 基础上,给出了相应的月球引力位的变化及相应的坐标系附加摄动解,清楚地表明了对月球 卫星轨道影响的规律。所获结果与数值解进行了比对,证实了从定性和定量两个方面来看本 文的讨论都是有意义的,从而表明月球物理天平动分析解的简单表达式在某些问题中（特别 是定轨和预报）是有实用价值的,而且在建立轨道摄动分析解时,无需像地球卫星那样,去 引进混合形式的轨道坐标系,采用历元月心平赤道坐标系即可。最终表明：无论是采用数值 法定轨和预报还是分析法定轨和预报,均可采用统一的月心平赤道坐标系,这可避免一些不 必要的坐标转换。     

太阳同步轨道立方星任务轨道演化分析

立方星是近年来微小卫星领域的研究热点,文章以太阳同步轨道(SSO)立方星任务为例,研究地球非球形引力项J2和大气阻力对立方星轨道演化的影响。分别研究了轨道高度、太阳活动指数F10.7和大气模型对SSO立方星轨道演化的影响,进行了数值仿真验证。研究表明:大气阻力摄动对SSO立方星轨道寿命影响很大,影响结果与轨道高度之间存在非线性关系;太阳活动高、低年时的轨道演化差异明显,且演化量随F10.7的变化是非线性的;不同大气模型下的轨道演化情况存在差异,大多数模型所对应的轨道演化量的量级基本一致。上述影响分析对SSO立方星任务轨道的选定及轨道控制具有一定的参考价值。     

月基对地观测对月球基地选址需求分析

在月基对地观测优势和我国现有工程任务能力分析基础上,提出了我国月基对地观测的月球基地选址技术流程、选址原则及评价标准。在科学目标和工程任务能力约束下,对影响选址的主要因素,包括月面地形地貌、观测时间、通信能力、能源需求、月球温度环境、兼顾天文观测多重观测体系因素等进行分析,为我国未来月球基地选址提供参考依据。     

月球探测工程中的月球环境问题

文章介绍了月球环境和国外两个典型月球探测器的环境试验。在月球环境对探测器的影响分析基础上,根据我国月球探测工程的需求,提出了有关环境问题研究的一些考虑。     

Terminal变结构控制的月球软着陆姿态控制律设计

针对月球探测器在软着陆过程中需要进行大角度姿态机动的情况下,姿态控制系统具有非线性及不确定性的特点,设计了基于Terminal滑模变结构的姿态控制律,并结合月球软着陆过程进行了仿真分析。仿真表明基于Terminal滑模变结构的姿态控制律具有良好的全局鲁棒性,同时姿态控制精度较高,在姿态控制发动机推力为1N时姿态控制精度可达0.02°以内;并且当控制力减小一个数量级,姿态控制的精度将提高5倍,而消耗的推进剂将减少8倍。因此,在月球探测器软着陆过程中,采用Terminal滑模变结构的姿态控制律与小推力的姿态控制推力器相结合的姿态控制方法具有很高的应用价值。     

月球表面水冰探测进展

月球水冰探测对未来载人月球探测以及构建月球基地意义重大。在继＂克莱门汀＂（Clementine）、＂月球勘探者＂（Lunar Prospector）和＂智能一号＂（SMART-1）等月球探测器的探测后,美国的＂月球勘测轨道器＂（LRO）和＂月球环形山观测与遥感卫星＂（LCROSS）实施了月球极区永久阴影区撞击和观测,初步验证了水冰资源的存在。文章通过系统分析月球水冰的重要性、可能来源、探测历程和探测手段,初步提出我国开展月球水冰探测的载荷初步配置。     

考虑月球扁率修正的月球卫星自主导航

针对月球扁率对月球紫外敏感器的月心方向矢量确定的不利影响,研究了月球紫外敏感器的测量原理和敏感到月平边缘时满足的几何约束,提出了一种考虑月球扁率的月心矢量确定方法。并进一步的结合地球敏感器和太阳敏感器的测量信息,研究了基于日地月方位信息的月球卫星自主轨道算法,并评估了月球方位确定算法对导航精度的影响。仿真结果表明,在太阳敏感器、地球敏感器和月球敏感器的精度分别为0.02°(3σ)、 0.05°(3σ) 和0.1°(3σ)的假设下,考虑月球扁率修正的月球卫星的自主导航位置精度能达到300m(3σ),导航速度误差能达到0.6m/s(3σ), 从而保证了环月卫星的导航精度。     

月面和近月空间环境及其影响

月球探测器所经历的月面和近月空间环境主要包括：月面低重力、月面温度、近月空间辐射、月壤、月尘、月面地形地貌、月面静电等。文章在对月面和近月空间环境研究的基础上,结合国外月球探测器在月球环境方面的研究成果,分析了我国月球探测器所经历的月面和近月空间环境特点及其影响效应,并提出相应的改进措施或必要的试验验证,可为月球探测器的研制提供参考。     

月食过程月表太阳辐照和温度变化模拟

月食对月球轨道探测器的温度有重要的影响,分析月食时月表的太阳辐照和温度,具有重要意义。文章给出了通用的月表温度模型和月食时月表太阳辐照模型,根据某次月食的天文参数,用太阳辐照模型可求出月表任一点在月食时的太阳直接辐照变化过程,代入温度模型可求出任一点的温度变化过程。此模型和方法可用于对任何一次月食的分析,并以2007年8月28日的月食为例,模拟了该次月食的表面太阳直接辐照和温度的变化过程。     

月球重力场对“嫦娥一号”近月轨道的影响

2008年12月6日“嫦娥一号”卫星开始了为期半个月的变轨试验,卫星距离月球表面最近处 约为15 km,这在国内尚属首次。试验期间,国内USB和VLBI测控网进行了跟踪测量,获取了 卫星不同飞行高度的测轨资料。通过对变轨试验期间的USB和VLBI测量数据的定轨计算,分 析了月球重力场误差对于绕月低轨卫星的影响,计算表明,尽管目前的月球重力场模型高阶 项由于没有月球背面的测量数据而不准确,但对绕月低轨卫星的定轨精度提高仍然有重要帮 助。分析了VLBI数据对绕月低轨卫星定轨的贡献,比较了USB数据单独定轨以及USB和 VLBI联合定轨两种情况,结果表明VLBI数据的加入可有效提高定轨精度。该工作对于我国后 续月球探测工程具有一定的借鉴意义。
     

载人登月飞行方案研究

根据载人登月任务有无地球轨道和月球轨道交会对接,将登月途径分为地球轨道交会-月球轨道交会、地球轨道交会-直接返回、地球轨道不交会-月球轨道交会,以及地球轨道不交会-月球轨道不交会四类,并对各自可能的演变登月方式进行了分析。对载人登月的质量规模及运载火箭需求进行了分析,讨论并比较了一次发射、基于环月轨道交会组装和基于近地轨道交会组装方案的时间窗口和登月方案,并给出了建议。研究可为我国载人登月任务方案选取提供参考。