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。     

航天器快速绕飞任务的六自由度滑模控制研究

随着航天器在轨服务的发展,快速绕飞成为当前航天任务设计的一个重要课题.快速绕飞采用受限相对运动轨迹,为了实现任务目标需要考虑航天器位置与姿态的六自由度耦合控制问题.采用滑模变结构控制理论,解决了航天器快速绕飞的六自由度推力控制问题.首先.从完全非线性相对轨道动力学方程和修正罗德里格斯参数表示的姿态运动学方程出发,建立了包含未知有界干扰的六自由度动力学模型,该模型形式简单,适用于任意偏心率的目标轨道;其次,以圆形绕飞为例,给出了任意方位快速绕飞轨迹的数学表示和任意位置期望姿态的计算模型;然后,考虑航天器形状及推力器配置,应用滑模变结构控制的趋近律方法,设计了对未知有界干扰具有鲁棒性的控制律.最后的仿真算例验证了控制律的有效性.     

航天器近距离相对运动轨迹设计与控制

航天器近距离相对运动是当前航天领域的重要研究热点。针对圆(近圆)轨道目标航天器,综合利用C\|W方程、脉冲控制和优化理论,系统地解决了航天器相对运动的轨迹设计与控制问题。从C\|W方程解析解出发,给出了自然轨迹和受限轨迹的数学描述;以此为基础,考虑碰撞避免,研究了全局绕飞轨迹和局部限制轨迹的设计与控制。对于全局绕飞轨迹,研究提出了自然椭圆绕飞、自然螺旋绕飞、单脉冲“水滴”形绕飞、多脉冲圆形绕飞和多脉冲“田径场”形绕飞五种轨迹模式;对于局部限制轨迹,研究提出了自然椭圆V\|bar限制轨迹、单脉冲 R\|bar 限制轨迹和多脉冲任意方位限制轨迹三种模式。分析了每种轨迹模式的形成过程和能量消耗,给出了每种轨迹的设计参数,利用仿真算例验证了有效性。此外,对多脉冲圆形绕飞轨迹和多脉冲任意方位限制轨迹,建立了脉冲位置和脉冲时间间隔的优化模型。
     

服务航天器主动绕飞观测的建模与控制

围绕服务航天器对目标任意方位绕飞观测操作,提出一种可灵活配置多种相对运动构型的绕飞建模方法。将绕飞分为过渡过程和绕飞过程2个阶段。通过对绕飞过渡过程采用S型速度曲线进行规划,使服务飞行器从任意初始方位平稳地进入绕飞平面。定义轨迹规划坐标系和期望姿态坐标系,将三维绕飞观测转化为二维轨迹设计与期望姿态解算,实现了绕飞观测的降维设计。定义期望绕飞矢量,实现绕飞构型的灵活配置。建立了相对轨道误差动力学模型,将对绕飞轨迹的跟踪控制转化为对跟踪误差的调节器设计。综合考虑轨道、姿态与挠性附件振动间的耦合作用,设计了基于模态观测器的姿轨联合控制律。数学仿真结果表明了该方法的正确性。     

一种GEO卫星太阳光遮挡轨迹设计与控制方法

为满足未来GEO卫星空间对抗手段多样化的需求,提出了一种对太阳光进行遮挡的新型空间攻防系统.首先,分析了太阳矢量在目标航天器轨道坐标系中的运动特性,基于近距离相对运动方程设计了追踪航天器的圆锥面绕飞轨迹,推导了 N等份遮挡轨迹下的总速度增量表达式.其次,考虑非线性误差和复杂空间环境摄动的影响,采用自抗扰控制方法设计了闭...     

轨道交会、悬停及绕飞控制的解析解方法

面向航天器交会对接、编队伴飞以及在轨操控等空间应用的需求,分别对近圆、椭圆轨道上航天器间的相对运动进行了分析与建模,在常值推力作用假设下进行了相对运动的解析求解。采用模型预测的方法获得航天器相对位置和相对速度的预期偏差。通过广义逆变换构造关于预期偏差的最小范数、最小二乘全状态反馈控制器。提出了一种普遍适用于近圆、椭圆轨道,可以实现轨道交会、相对悬停保持和循迹绕飞,对相对位置和相对速度进行同步控制的高精度、高稳定度相对制导律。仿真结果校验了方法的可行性和有效性。     

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。
     

一种用于非合作目标惯性指向轴位置捕获的绕飞方法

本文提出一种用于非合作目标惯性指向轴位置捕获的绕飞方法。该方法依据实时相对位置和目标位置确定绕飞坐标系;在绕飞坐标系中,分别采用扇形轨迹和直线轨迹设计了两类接近轨迹规划策略,利用相对位置和目标位置间的夹角进行规划策略选择,以规划得到过渡目标位置,并采用CW制导进行过渡目标位置的接近控制;为保证绕飞过程中相对测量敏感器始终有效测量,还设计了姿态指向控制律使追踪航天器x轴指向目标航天器。数学仿真校验了所设计方法的有效性。     

快速绕飞卫星空间圆编队设计方法

连续小推力条件下,针对圆参考轨道卫星,推导了满足快速绕飞条件的空间圆编队动力学模型。分析了一个绕飞周期内的燃耗情况。在绕飞周期确定的条件下,给出了最小燃耗的计算方法,并利用数值方法验证了所推导公式的正确性。计算结果表明,在高度为500km的圆轨参考道卫星实现周期为10分钟、半径100m的空间圆绕飞,一个绕飞周期所需最小速度增量约为4.77m/s。文章提出的基本设计原理并不局限于空间圆编队,也可用于其它快速绕飞编队的设计工作。
     

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。     

Algorithms for the transport spacecraft descending stage lateral motion control

This report deals with the problems of synthesizing algorithms for controlling the attitude manoeuver of a transport spacecraft aimed at injecting the spacecraft into a closed terminal domain of “heading-range” phase coordinates which makes it possible to descend to the landing aerodrome region in accordance with a spiral trajectory tracking pattern. The descent trajectory is controlled by changing the roll angle. The principal distinguishing feature of the suggested method of transport spacecraft lateral motion control resides in guiding the spacecraft to a terminal curve and in providing an automatic transfer from roll control to interacting control of roll angle and angle of attack. The performance of the control algorithm under transient conditions are considered in detail.Algorithms controlling the longitudinal range by varing the magnitude of the roll angle and lateral range by selecting the respective sign of the roll control angle are thereafter synthesized separately. The major problem in designing the angular motion control system of transport spacecraft is the development of a high-rate roll axis turn control algorithm. To ensure high accuracy of lateral manoeuvering of the spacecraft it is expedient to accomplish the spacecraft reorientation in roll in a minimum time. It is therewith necessary to take into account with the sideslip angle limitation associated with the need of complying the design conditions of the spacecraft flowaround and with the spacecraft skin selected temperature conditions. It is expected that the total side slip angle is acceptable for measurement. Within the greater portion of the descent trajectory constant-thrust jet-reaction control engines are employed as actuators. Therefore, together with the high speed of response developed control algorithm provides an adequate efficiency of the system from the viewpoint of fuel consumption. The possibilities offered by the suggested algorithms controlling the lateral motions of the center of masses and around the center of masses during the descent stage and in the course of landing approach manoeuvering are illustrated by an example considering a hypothetical transport spacecraft featuring variable aerodynamics and a low frequency of natural oscillations of the angular motion loop. The suggested algorithms make it possible to fully employ the transport spacecraft maneuverability and to meet the terminal heading and velocity requirements within a wide class of disturbances.     

面向空间近距离操作的机械臂与服务卫星协同控制

针对航天器在轨服务任务中涉及的空间近距离操作需求,提出一种机械臂与服务卫星协同控制方法。首先建立了机械臂和服务卫星组合体动力学模型以及服务卫星和目标卫星相对位姿耦合动力学模型。然后采用全局终端滑模控制设计了机械臂轨迹跟踪控制方法,采用PD控制设计了服务卫星相对位姿耦合控制方法,并将机械臂反作用力和力矩作为前馈补偿叠加到服务卫星控制系统中,实现了两者的协同控制。最后通过数值仿真验证了控制方法的有效性。仿真结果表明,该方法能够满足空间近距离操作任务对机械臂和服务卫星的控制精度、稳定性和误差收敛时间的要求,具有工程实用性。     

用于对地观测定位的编队飞行卫星群轨道构形设计

编队飞行卫星群是一组小卫星,它们具有短的相对距离、相等的轨道半长轴和微小差别的其它轨道要素,它们形成相互伴随运动,并且具有一定的构形。提出将编队飞行卫星群的轨道设计技术应用于对地观测定位卫星系统中。根据设想的要求,针对由四颗伴随卫星围绕基准卫星(或一个虚拟的中心)飞行的轨道设计案例,初步分析了编队飞行卫星群的构形保持,地球引力和大气阻力的摄动影响等问题。     

航天飞行器相对运动动力学及其控制方法

采用本地轨道从标系对两邻飞船间相对运动动力学展开研究，指出在相对运动中也存在平衡状态，用相平面方法分析了其稳定性，基于此分析，综合出相对运动控制方法，即距离速率控制方法，受控运动轨迹是一条稳定的稳态直线，进而建立了全方位距离速率控制方法。最后以系绳卫星系统和飞船安全为例完成了计算机模拟。     

具有跳变控制输入的航天器反追踪控制方法

针对航天器沿着其固定的椭圆弹道飞行而容易被追踪和拦截的问题,提出了一种基于跳变控制输入的航天器反追踪模型参考跟踪控制器的设计方法。结合随机稳定和模型参考跟踪的定义,给出了航天器反追踪模型参考跟踪控制问题的数学描述。基于跳变系统的随机稳定性理论和模型参考跟踪控制方法,设计了具有随机稳定性的反馈镇定控制器和具有自由参数优化的前馈控制器。以航天器反追踪为例进行了数值仿真,仿真结果说明了所提出的控制方法的有效性。     

基于控制有效性因子的卫星姿态控制系统在轨重构容错控制

研究了在轨卫星姿态控制系统发生可修复性故障状况下的重构容错控制。首先在星敏感器对陀螺的标定模型中引入控制有效性因子，并利用二级卡尔曼滤波算法求解其值，以说明系统的控制有效程度。然后采用统计假设检验通过其幅值变化判断系统是否存在故障，当故障发生时，引入重构容错控制器对原控制器进行补偿控制。最后，建立卫星闭环姿态控制系统对算法进行了仿真验证，仿真结果表明该算法快速可靠，能够满足在轨卫星姿态控制系统故障状况下的性能要求。     

Guidance of a spacecraft with low lift-to-drag ratio to a landing point

The problem of terminal control over a deorbiting spacecraft at the stage of its flight after leaving plasma (altitude of ∼40 km) is considered, the aim being to guide it to a preset landing point. The algorithm is based on a modification of the well-known method of proportional navigation, when a fixed point is the target. It is suggested to use satellite navigation systems (of the GLONASS or GPS types) and/or radio beacons, which should allow one to determine the spacecraft trajectory parameters with high precision. Single-channel control is performed by changing the roll angle according to current parameters of the trajectory, which ensures adaptability of the method. Examples of three-dimensional trajectories of flight are presented for a manned spacecraft with low lift-to-drag ratio (∼0.5), currently under design in Russia. The results of statistical modeling taking into account initial deviations of the trajectory parameters and wind disturbances are presented. A method of statistical choice of a reference trajectory for the guidance stage is suggested. A theoretical possibility of using the algorithm of spacecraft guidance (in case of in-light accident with a carrier launcher) to preset regions in the vicinity of launching route is demonstrated. A qualitative analysis of proportional navigation with a fixed target is presented.     

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。     

一种卫星飞行模拟器的热控分系统模型设计

设计了一种飞行模拟器的热控分系统模型,用于仿真卫星在轨正常和故障状态下的温度情况.为了保证热控分系统的仿真功能、速度和精度,构建了一个完整的热控分系统架构,并采用一系列数学模型来描述卫星的热状态变化,尤其是采用了基于偏微分方程的卫星主体热数学模型.最后,根据仿真结果与热分析数据以及卫星在轨数据的对比,对热控分系统设计进...