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。     

载人航天器与空间站共轨飞行轨道维持策略

针对载人航天任务中面临的与空间站保持长期共轨飞行的轨道问题,分析了航天器在地球扁率J_2项摄动以及大气阻力摄动作用下,长期共轨飞行航天器半长轴、相位和升交点赤经的变化特性,并设计了仅通过面内调整同时实现面内和面外调整的共轨维持的控制策略。通过仿真算例验证了控制策略的有效性,轨道维持的燃料消耗合理。可为我国载人航天器与空间站共轨方案设计提供参考。     

编队飞行区域性导航卫星和位置保持

提出一个由4颗地球同步轨道卫星编队飞行组成区域性导航系统方案。采用精确描述相对运动的编队飞行运动学模型，设计编队飞行各卫星轨道参数。在考虑地球同步轨道主要摄动条件下，进行编队飞行队形变化动力学仿真。根据仿真结果，估算区域性导航精度在十米至二十米范围内。除此以外，还研究编队飞行位置保持控制策略和燃料消耗估算。这是至今为止在相同精度和相同覆盖区条件下卫星数量最少的，也是投资经费最低的导航系统方案。     

分布式InSAR卫星绕飞角设计与控制方法研究

针对分布式卫星绕飞轨道构型设计与控制问题,提出了基于Hill方程的绕飞构型设计算法,给出了绕飞角与升交点赤经偏差和轨道倾角偏差的关系,并分析了绕飞角的稳定性;根据分布式InSAR卫星绕飞构型特点提出了基于开普勒轨道实现特定绕飞角和绕飞半长轴的双层迭代轨道控制算法。仿真结果表明,上述方法设计的绕飞构型稳定,捕获控制策略简单可行、控制精度高,具有一定的工程参考价值。     

卫星轨道圆化的有限推力点火控制策略

本文研究卫星轨道圆化的点火控制策略，发动机推力为有限常值，方向可调。考虑了燃料消耗引起的质量损失。假设圆轨道上有一飞行器在运动，称为虚拟轨道器。只要卫星与虚拟轨道器软交会，就完成了轨道圆化。文中给出了使卫星与虚拟轨道器软交会的推力方向控制策略和点火位置与关车位置的求取方法。仿真结果表明，本文方法与水平推力策略和切向推力策略相比，具有更高的控制精度，而且燃料消耗接近最优。     

空间站伴随卫星的相对运动控制

研究了空间站伴随卫星在绕飞和回收阶段的相对位置与速度控制。基于C-W方程提出了伴随卫星的脉冲控制和滑模-开关控制两种绕飞控制方法,给出了控制模型并进行了比较。另设计了用于伴随卫星回收控制的模糊控制器,给出了模糊控制规则。仿真结果表明:两种绕飞控制法简便易行,适于工程应用。与一般模糊控制方法相比,此控制器利用了航天器自身的动力学特性,可使燃料更省。     

面向微小卫星绕飞任务的平滑估计器与多脉冲制导算法

首先针对传统主动绕飞算法中存在的相角跳变问题,提出一种新型的平滑估计器,解决了经典扩展卡尔曼滤波(EKF)算法应用于主动绕飞过程中存在的估计值抖动和反转问题。接下来,针对传统多脉冲算法不考虑轨道精度和燃料消耗的问题,提出一种改进的导航点规划的最省燃料多脉冲主动绕飞算法。该算法将燃料最省的路径规划问题转化为导航点及相关参数的规划问题,并结合二次规划计算得出满足给定绕飞精度的绕飞路径。最后,将所提出的算法应用于20 kg级的微小卫星空间交互任务当中。仿真结果表明,对于经典的圆形轨迹绕飞应用,本文所给出的算法能够避免相角跳变现象的出现。同时,相比于传统的多脉冲算法最多可以降低42.2%的燃料消耗。     

神舟-7伴飞小卫星成功实现对飞船轨道舱的绕飞

2008年10月5日，在北京航天飞行控制中心的监视和控制下，神舟-7伴飞卫星顺利实现在4km／8km椭圆轨道上环绕轨道舱飞行的目标，这标志着中国首次小卫星伴随绕飞试验取得成功。9月30日-10月5日，先后进行了3个阶段共6次轨道控制，逐步控制卫星实现对轨道舱由远距离接近到近距离逼近，并最终形成绕飞。小卫星伴随绕飞试验的成功，     

自主交会对接绕飞轨道的双冲量控制改进算法

绕飞轨道控制是追踪器与非合作目标进行自主交会对接的关键技术。本文针对同轨道平面的绕飞问题,根据双冲量轨道逼近动力学特性,将绕飞轨道分解为两个逼近轨道,采用有摄动情况下双冲量轨道逼近改进算法实现绕飞轨道控制。绕飞控制时,在轨道误差范围内,数次冲量累计同时施加,减少由于单次冲量小而造成的较大相对误差。最后进行了数学仿真,仿真结果表明该算法能实现绕飞轨道控制,具有设计简单、燃料消耗少的特点。     

伴随卫星接近绕飞的轨道控制方法研究

针对伴随卫星以共面方式接近目标星飞行、并最终实现共面绕飞这一 问题进行了研究。提出了通过轨道调相控制实现轨道接近,并且兼顾实现绕飞轨道构型参数 的方法。仿真实例表明,提出的接近绕飞轨道控制方法成功地实现了伴随卫星相对目标星的 接近和绕飞,很好地达到了绕飞轨道构型的参数指标要求。