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，     

基于轨道动力学的椭圆轨道悬停方法

连续有限推力条件下,基于动力学原理设计了伴随卫星相对于椭圆轨道的参考卫星在任意位置实现悬停的方法。给出了对任意椭圆参考轨道实现悬停的开环控制律,推导了一个周期内的速度增量计算公式。特别分析了参考卫星为“Molniya”轨道时,实现悬停需要的控制推力及速度增量。仿真结果表明,“Molniya”轨道正下方 1 km 的悬停伴飞,一个轨道周期时间内连续有限推力发动机需要产生的速度增量为10.317 m／s。文章提出的方法也可用于椭圆轨道的空间圆或水平圆等非自然编队构型设计。     

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。
     

伴飞卫星自主相对导航衰减记忆滤波算法

为实现伴飞卫星的自主相对导航,基于C-W方程提出了一种在伴飞卫星轨道系中建立简化的相对运动方程构成星上轨道递推、根据导航敏感器输出进行量测更新的导航滤波器,并利用衰减记忆滤波算法抑制系统模型误差对相对导航结果的影响。仿真结果表明,该滤波算法可实现伴飞星的自主相对导航。它不仅较C-W方程更简单,而且适于模型不准确时的相对导航,工程实现易。     

卫星快速绕飞轨迹设计与制导

快速绕飞在航天器近距离观测、空间目标识别与侦察、在轨服务与应急情况处理活动中具有重要应用。首先建立了适用于目标航天器运行在圆轨道或椭圆轨道的相对运动状态转移矩阵;然后,推导了采用多脉冲控制方法实现与目标航天器共面和异面快速绕飞、进入绕飞和退出绕飞的轨迹设计与制导的模型和算法;最后,分析了绕飞过程速度脉冲需求与绕飞参数的关系。仿真计算结果表明所提出的快速绕飞轨迹设计模型和制导算法可以用于对圆轨道或椭圆轨道目标航天器的共面或异面快速绕飞。     

椭圆轨道交会、悬停与绕飞的全状态反馈控制

面向大椭圆轨道航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,对大椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,采用幂级数法分别在脉冲推力和常值推力作用两种情况下对系统进行了近似求解。通过对系统解的变换以及对系统状态的重构,给出了大椭圆轨道上的三种交会制导律。脉冲推力作用假设下的脉冲制导类似近圆轨道的Hill制导方法。常值推力作用假设下的全状态反馈制导律则在交会制导、相对悬停和循迹绕飞控制的过程中实现了对相对位置和相对速度的同步控制。通过构造新的系统状态,改进的变系数全状态反馈制导律提高了相对速度的制导精度,降低了相对制导过程中的最大轨控加速度。三种制导律的制导效果通过数学仿真进行了校验和比较,文中给出的方法实现了椭圆轨道上相对交会制导、悬停保持和循迹绕飞控制。     

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。     

编队飞行卫星群的轨道动力学特性与构形设计

编队飞行卫星群由一些相对距离近的小卫星组成,在严格的条件下,若干颗伴随卫星环绕一颗中心卫星作相对运动,相对轨道为特别性质的椭圆,本文研究了编队飞行卫星群的轨道动力学特性,提出了编队飞行的轨道构形设计的原则和方法。     

基于GPS的低轨伴飞卫星自主导航轨道确定

对基于EKF算法的相对导航滤波器和基于全球卫星定位系统(GPS)伪距测量的伴飞星定轨进行了研究。用几何法与相对动力学方法联合获得目标星轨道信息,给出了伴飞卫星伪距测量定位的模型。仿真结果表明:该定轨方法可用于低轨卫星实时定位导航,定轨精度较高。     

椭圆轨道卫星编队队形及J2项摄动影响研究

基于椭圆轨道的两卫星相对运动方程,分析了参考星轨道为椭圆的编队飞行成立条件,给出了队形设计方法。讨论了J2项摄动对椭圆编队队形的影响。通过改变两卫星偏心率之差Δe调整环绕星的偏心率以消除部分J2项摄动。仿真结果表明,采用该法设计椭圆轨道编队队形可减少主动控制,节省燃料。     

两星一地时差定位方法性能分析

针对同轨多星定位系统以及高低轨联合定位系统需要卫星数量多的特点,设想地面站和卫星联合定位体制。考虑到时差定位体制对卫星运动不敏感的特征,提出一星三地和两星一地2种定位体制,从定位场景、定位原理、理论定位误差和误差分布4个方面对定位效能分析。重点论述了两星一地时差定位误差的地理分布、时间分布以及受高度的影响,对将来的工程化应用提供支撑。     

上面级直接入轨卫星的上升段温度控制及预示

为满足卫星在上升段持续时间长、外热流复杂、能源紧张等不利因素下的温度控制要求,需采取相应控温策略并进行预示。针对采用上面级"一箭双星"直接发射入轨的北斗三号中轨道导航卫星,进行了上升段期间的热分析并阐述了地面段和上升段的控温策略,通过仿真分析预示双星在上升段的温度变化,结合飞行数据,验证仿真分析的准确性以及控温策略的有效性,并获得星上各区域设备上升段的温度变化特性。结果表明:通过控制发射前整流罩内的初始温度以及采用延时指令开启相应区域固定功率加热器,上升段期间未开机设备均能保持缓慢的温度下降速率,所有星上设备温度均在要求的范围内。采取的控制策略对其他需保持较长时间低温储存状态的高轨航天器,以及深空探测器温控设计提供了一定参考。     

飞行器半实物仿真装备研究进展与展望

根据制导体制不同，分别从光学制导仿真、射频制导仿真、光学/射频复合制导仿真等方面介绍了国内外半实物仿真装备研究进展。结合飞行器对半实物仿真技术提出新的发展需求，提出了全角度空间制导仿真、特殊环境/背景制导仿真、绕飞伴飞仿真、弹体气动伺服弹性仿真等特殊背景的半实物仿真方案。最后，结合飞行器技术和半实物仿真技术发展趋势，对飞行器半实物仿真装备的发展趋势进行了展望。     

Stability of a ring of connected satellites

The motion of a large number of artificial satellites connected in a ring one after another by tethers of variable length is considered. Every satellite is supposed to have a control system programmed according to some tether tension law as a function of the distance between tethered satellites. The effect of the tension control law on the stability of stationary rotation of this ring is investigated. The final stability condition includes two requirements: 1) the nominal tether tension should be less than a definite limit equal, up to numerical coefficient, to one satellite weight divided by the number of satellites; 2) tether tension should decrease (or remain constant) with the increase of the distance between tethered satellites. In dynamics the artificial rings of this kind are much like their natural prototype—meteor rings. On the other hand, the investigation of the artificial rings contributes to developing an unexpected view upon meteor rings, suggesting a model of an imaginary equivalent string.     

小卫星动量轮非线性特性建模与仿真方法

动量轮是三轴稳定卫星姿态控制的关键执行部件。由于小卫星本身的转动惯量较小，微弱的干扰力矩有可能导致整个卫星控制系统性能下降。因此，建立一个基于动量轮实际物理特性的理论仿真模型对小卫星姿态控制系统设计至关重要。本文提出了一种多输入多输出非线性建模方法，并给出了基于SIMULINK的动量轮物理特性仿真模型。该模型可以同时输出动量轮所有特征参数的实时值。最后，通过开环和闭环控制数值仿真，对模型进行了验证。数值实验结果与实际物理部件的测试结果一致。本方法可以为小卫星姿控系统的仿真提供一个有效的、精确的、可以直接应用的部件级模型。     

挠性卫星振动抑制的变结构主动控制方案及实验研究

文章从工程角度出发，以具有挠性太阳帆板的卫星为背景，着重研究了挠性空间结构的低阶模型变结构控制方案。针对卫星的“飞轮—喷气”执行机构工作模式设计了算法简单的变结构控制律，并基于单轴气浮台全物理仿真系统成功地进行了国内首次挠性结构振动主动控制实验，取得了显著的控制效果。     

无阻力双星串行编队相对位置有限时间控制

研究无阻力卫星构成的双星串行编队相对位置的有限时间控制问题。首先,选取两颗卫星位置连线中点为参考坐标系原点,考虑J2摄动项,建立了双星相对位置的动力学模型。与传统的主从式卫星编队模型中假设主星为理想运动不同,本文的建模方法同时考虑了两颗卫星受到扰动的情况。而后,为使无阻力卫星编队相对位置快速达到期望状态,采用自适应参数更新律和加幂积分技术设计控制律,实现了闭环系统的实际有限时间稳定。最后,通过数值仿真校验了本文控制器的有效性和鲁棒性。     

MEO卫星双星并行真空热试验技术

在"北斗三号"MEO卫星双星并行研制过程中,综合考虑总体任务需求、卫星热控特点、热控方案及现有试验条件,提出"双星同时进罐,单星热平衡,双星热真空"的真空热试验方案,并通过仿真分析对因两星相互遮挡引起的附加热流进行修正,实现两颗卫星同时使用同一空间环境模拟设备即可完成热平衡及热真空2项试验.数据比较表明,热平衡试验结果...     

在轨跟踪与数据中继卫星测控关键技术(上)

根据卫星轨道根数，研究了跟踪与数据中继卫星（TDRS）对用户星的精确跟踪规律，并据此分析了TDRS对卫星平台姿态和天线运动范围的要求。介绍了TDRS测控中的关键技术，如螺旋扫描算法在TDRS搜索用户星时的应用、TDRS对近地卫星的覆盖率、TDRS跟踪多用户星的资源分配准则、星蚀和日凌计算，以及轨道位置保持控制策略等。相关控制策略的正确性已在我国地球同步轨道卫星的在轨测控应用中得到了证实，可用于未来TDRS的工程测控和业务应用。     

静止轨道卫星在轨延寿技术研究进展

随着星上设备及元器件可靠性的提高,推进剂耗尽将成为未来静止轨道卫星的主要失效
模式。静止轨道卫星在轨延寿技术可通过发射延寿飞行器与失效卫星对接,采用辅助控制或燃料加注方式,进一步延长卫星在轨工作寿命。本文首先对近年来静止轨道失效卫星进行了统计和分析,随后介绍了静止轨道卫星在轨延寿技术的基本概念和任务特点,在国外典型项目调研的基础上,对在轨延寿任务所涉及的交会轨迹规划与控制、视觉测量与导航等关键技术进行了分析。在轨延寿技术的发展必将对未来静止轨道卫星的设计及运营模式产生重要的影响。