一种小卫星绕飞编队的运动学设计新方法研究

在用运动学方法进行小卫星绕飞编队的相对运动分析和轨道设计时,一般假设环绕卫星和参考卫星的升交点赤经差、轨道倾角差和纬度幅角差均为小量,从而对相对运动方程进行近似和简化.但是当参考卫星的轨道倾角等于零或较小时,环绕卫星和参考卫星的升交点赤经差和纬度幅角差并不是小量,此时由于假设条件不成立而无法得到合理的轨道设计结果.针对这种情况,本文提出了一种小卫星绕飞编队的运动学设计新方法.首先对零轨道倾角卫星编队的卫星相对运动方程进行近似简化,得到了以轨道根数差为参数的相对运动方程和卫星编队设计方法,然后通过转移矩阵变换来进行任意轨道倾角的卫星绕飞编队设计,最后通过实例验证了方法的正确性.     

对异面椭圆轨道目标航天器的长期绕飞轨迹设计与控制

研究了绕飞卫星对异面椭圆轨道目标航天器进行长时间绕飞观测的轨道设计与控制问题。首先建立了适用于目标航天器运行在椭圆轨道上的长期绕飞轨迹设计模型;得到了绕飞轨迹以目标航天器为中心且保持封闭的条件。然后,考虑绕飞轨迹安全性和完成任务的相对距离需求,针对具体目标设计了长期绕飞观测轨道。绕飞过程中存在的摄动和误差影响会使绕飞轨迹不能保持封闭,不满足任务需求,为此采用双脉冲方法对绕飞轨迹进行控制。仿真结果表明,对运行在异面椭圆轨道上的目标航天器,所建立的绕飞轨迹设计模型和轨迹控制方法可以用于长期绕飞轨迹设计与控制中。     

航天器受迫绕飞构型设计与控制

针对航天器在轨服务任务对绕飞技术的要求,研究了航天器受迫绕飞构型设计和控制问题。基于C-W(Clohessy-Wiltshire)方程的解析解,提出了双水滴拼接绕飞构型,并将单脉冲或双脉冲受迫绕飞延展至多脉冲绕飞构型设计;推导了伴随航天器初始状态变量与绕飞构型形状参数的关系,得到了4种构型的解析表达式和脉冲控制策略。通过数值仿真算例验证了设计的4种绕飞构型能够实现伴随航天器的慢速绕飞和快速绕飞,比较了不同绕飞构型的燃料消耗和绕飞距离误差。数值结果表明,双水滴拼接绕飞构型总脉冲最小。研究成果完善了航天器受迫绕飞构型设计与控制的相关理论,为工程应用提供参考。     

有限推力下的航天器绕飞轨道保持与控制

基于线性动力学模型,研究了有限推力下的航天器绕飞轨道保持与控制问题.首先,针对绕飞轨道控制问题推导了精确的动力学模型,给出了经过线性化的动力学方程.然后,在线性二次性最优控制理论的基础上,设计了一种针对绕飞轨道的反馈控制系统,同时为了实现有限推力,设计了一个有界的非线性环节对控制加速度进行限制.数值仿真结果证明了所设计的控制系统渐进稳定、收敛快速,并且具有良好的控制精度.最后,通过计算不同相对位置误差时轨道控制系统需用的发动机工作时间,估算了轨道维持与轨道控制的燃料消耗量.      

一种空间协同探测系统的星座设计方法

研究了由多颗合成孔径雷达卫星和一颗可见光卫星构成的空间协同探测系统的工作模式.根据太阳同步轨道和冻结轨道的特点,结合近地轨道遥感卫星的应用需求,选择了轨道半长轴、偏心率、倾角、近心点幅角.考虑到卫星偏航控制对覆盖性能的影响,在不动的地心坐标系中推导了卫星观测方向与地表交点的表达式,提出了确定系统中各颗卫星的升交点赤经和过近心点时刻的算法.给出了包含两颗合成孔径雷达卫星与一颗可见光卫星的协同探测系统的星座设计结果,并利用国际公认的卫星软件工具包Satellite ToolKit进行了验证,表明该设计方法是正确的.     

基于螺旋伴飞式航天器交会控制技术

首次提出以螺旋伴飞式实现航天器交会的思路.在两航天器符合绕飞条件的前提下,从相对运动的Hill方程出发,首先推导出实现螺旋伴飞式交会的相对位置反馈控制律,这种相对位置反馈控制表明,航天器在交会过程中可以在只有相对位置测量条件下进行工作,因而具有一定的工程指导意义;进而,对螺旋伴飞式交会控制律的特点进行了分析,同时给出了稳定性分析与能量估算,分析表明这种交会控制技术,其控制具有较好的稳定性,且消耗能量较小;最后,通过一个空间圆绕飞轨道的伴星回收实例,给出了控制加速度的特性图和螺线回收轨迹图.仿真结果证明,伴星螺线回收轨道是可行的,并且具有优良的特性.     

低轨大规模卫星星座内部防碰撞安全性分析

针对低轨大规模星座卫星间碰撞安全问题，对星座构型的最大漂移量开展了研究。基于球面三角形理论计算了卫星轨道平面的最小相位差；采用控制变量法对星座构型参数进行研究，分析不同构型参数对星座卫星最小相位差的影响，以及升交点赤经漂移量与最小相位差的关系，提出了基于最小相位差的星座构型参数协同设计方法；基于相对相位分析方法，建立升交点赤经漂移量与相位漂移量随时间变化的函数关系；最后，以Starlink第一期星座为参考对象进行仿真，验证了构型参数协同设计方法的合理性。     

连续小推力条件下星座轨道机动方法研究

基于连续小推力条件下星座轨道机动的动力学特性分析,研究了其入轨的布局置入和离轨机动方法。地球轨道上的大型星座数量巨大,传统的轨迹优化方法较难应用。针对多星入轨的星座布局置入任务,求解了分时序抬轨的相位调整问题,并在轨道抬升过程中,利用轨道倾角偏置补偿升交点赤经漂移。针对星座中卫星的离轨任务,设计了半长轴和偏心率的联合调整方法。在保证卫星快速离轨的同时,能够有效减少燃料的消耗。考虑到连续小推力机动的弧段效应,控制策略需要围绕控制效应的曲线积分进行优化。     

利用大气阻力的横向编队维持控制

研究了航天器在近圆轨道面内横向固定间隔距离内伴飞编队维持问题。基于经典轨道要素偏差法分析了相对运动特性和大气阻力对相对运动的影响。根据利用大气阻力引起的横向相对运动漂移,设计了有利于长期伴飞编队维持的初始半长轴偏差和伴飞边界点的期望半长轴偏差,进一步给出了进行伴飞维持的边界点横向速度脉冲。仿真结果表明,该控制策略进行伴飞编队维持是可行的,维持所需的速度脉冲次数少、速度增量小,且算法简单,有利于航天器自主化实现。     

LEO-LEO掩星事件持续时间及卫星间相对角速度仿真分析

通过对LEO-LEO掩星事件仿真,分析卫星轨道参数对掩星事件持续时间和卫星间相对角速度的影响.结果表明：对掩星事件持续时间影响较大的LEO-LEO卫星轨道参数依次为轨道倾角、升交点赤经、轨道高度,近地点角距对掩星事件持续时间影响不大;LEO-LEO卫星轨道倾角互补时,掩星事件持续时间最短,为98s;两颗LEO卫星轨道倾角之和或者升交点赤经之差在120°-240°范围内,掩星持续时间约100~150s;两颗LEO卫星轨道越高,掩星持续时间越短;掩星发生时,LEO卫星间水平方向相对角速度最大值约为0.14（°）·^-1,俯仰方向相对角速度最大值约为0.078（°）·s^-1.

     

微纳卫星共面伴飞相对运动椭圆短半轴最省燃料控制

针对伴随微纳卫星资源受限、轨控需要尽可能节省燃料的现实问题,基于希尔（Hill）方程,研究推导了共面编队伴飞卫星的轨控时机和轨控方向对相对运动椭圆短半轴控制效率的影响。理论推导和仿真均表明：当控制量大小｜ΔV｜与相对运动椭圆短半轴b满足｜ΔV｜≤nb/2关系时（n为参考星平均轨道角速度）,在相对运动椭圆上下点进行横向或反横向控制,最大效率地将相对运动椭圆短半轴改变了｜Δb｜=2｜ΔV｜/n。其中,在上点反横向或下点横向进行控制,可以最大效率地增大椭圆短半轴;在上点横向或下点反横向进行控制,可以最大效率地减小椭圆短半轴。     

A simple and valid analysis method for orbit anomaly detection

A simple analysis method for orbit anomaly detection, called semi-major axis change method (SACM) was presented by using a relationship between the change of orbit parameters and velocity increments. In this method, the mean value and standard deviation of the semi-major axis change in different time intervals were first calculated according to historical data. Then, these two parameters, the mean value and standard deviation of the semi-major axis change, are chosen as basis variables and combined as an anomalous criterion. For orbit objects with different characteristic, anomalous thresholds were given in different time intervals for identifying the anomalies of the orbital objects. Finally, this method is used for low earth orbit (LEO) satellites and American–Russian breakup debris. By adopting this method, the characteristics of the orbit change were given. The accuracy rate of anomaly analysis for LEO satellites and American–Russian breakup debris can reach to 100%, which demonstrates that the method was rapid and valid.     

Towards accurate atmospheric mass density determination Using precise positional information of space objects

This paper presents a new method of deriving atmospheric mass densities with a high temporal resolution from precise orbit data of low earth orbiting (LEO) space objects. This method is based on the drag perturbation equation of the semi-major axis of the orbit of LEO space objects which relates the change rate of the semi-major axis to the atmospheric mass density. The effectiveness of the new method is evaluated using the GFZ-ISDC GPS rapid science orbit (RSO) products of the CHAMP satellite over a time period of 3 months. The densities derived using this new method and obtained from accelerometer data are compared and good agreements are achieved. An example of using the derived density to generate good orbit prediction for CHAMP is presented.     

共面伴飞相对运动椭圆相位最省燃料控制问题

针对伴随微纳卫星资源受限,轨控需实现最省燃料控制的现实问题,基于Hill方程和二元函数极值理论,研究了共面编队伴飞卫星的最省燃料相位控制策略。分析结果表明：当需要改变的相位为锐角、ΔV<05nb横向控制对相对运动椭圆相位改变效率最高,ΔV=05nb|cosΘ|控后相位为相对运动椭圆左右点,同时将相对运动椭圆短半轴控小;以伴随卫星绕参考卫星共面伴飞相位控制为例,应用这一理论求解了控制策略。     

Characterizing space debris longitude-dependent distribution based on RAAN perturbation rate

The space debris environment is one of the major threats against payloads. Space debris orbital distribution is of great importance for space debris environment modeling. Due to perturbation factors, the Right Ascension of Ascending Node (RAAN) of space objects changes consistently, causing regular rotation of the orbit plane around Earth’s axis. Based on the investigation of the RAAN perturbation rate of concerned objects, this paper proposes a RAAN discretization method in order to present the space debris longitude-dependent distribution. Combined with two line element (TLE) data provided by the US Space Surveillance Network, the estimated value from RAAN discretization method is compared with the real case. The results suggest that using only the initial orbital data at the beginning of the time interval of interest, the RAAN discretization method is able to provide reliable longitude distribution of concerned targets in the next following period. Furthermore, spacecraft cumulative flux against space debris is calculated in this paper. The results suggest that the relevance between spacecraft RAAN setup and flux output is much smaller for LEO targets than MEO targets, which corresponds with the theory analysis. Since the nonspherical perturbation is the major factor for RAAN variation, the RAAN perturbation rate has little connection with the size of orbital objects. In other words, the RAAN discretization method introduced in this paper also applies to space debris of different size range, proposing a possible suggestion for the improvement of space debris environment engineering models.     

横向连续推力小偏心率人工冻结轨道设计

非临界倾角自然冻结轨道要求近地点幅角为90°, 偏心率在1× 10^-3量级, 并且偏心率与轨道倾角和半长轴有特定的对应关系, 苛刻的要求极大地限制了轨道根数选择的多样性. 研究表明, 施加常幅值、方向半轨道周期切换的横向连续小推力可以形成任意轨道根数的小偏心率人工冻结轨道, 放宽自然冻结轨道对轨道根数的严苛限制. 维持小偏心率人工冻结轨道的横向连续推力a_T与半长轴的平方根成正比, 与偏心率大小成反比; 在临界倾角i_c附近, 推力a_T与倾角偏置量Δi近似呈正比, 且长期维持的燃料消耗较小. 此外, 在进行仿真计算时还需考虑拟平均轨道根数与瞬时轨道根数的转换.     

Estimation of ballistic coefficients of low altitude debris objects from historical two line elements

This paper presents a new method for estimating ballistic coefficients (BCs) of low perigee debris objects from their historical two line elements (TLEs). The method uses the drag perturbation equation of the semi-major axis of the orbit. For an object with perigee altitude below 700 km, the variation in the mean semi-major axis derived from the TLE is mainly caused by the atmospheric drag effect, and therefore is used as the source in the estimation of the ballistic coefficient. The method is tested using the GRACE satellites, and a number of debris objects with external ballistic coefficient values, and agreements of about 10% are achieved.     

全方向长期伴飞卫星集群轨道设计与仿真

主要研究在J2摄动的影响下,在中心卫星周围全方向上部署长期相对有界伴飞卫星的轨道设计方法。首先,利用J2不变的条件,由已知中心卫星轨道根数建立伴飞卫星的半长轴、偏心率及轨道倾角之间关系。然后,通过对伴飞卫星和中心卫星之间初始相对位置及轨道根数之间关系的分析,得到伴飞卫星的全部初始轨道根数,使其能够部署到中心卫星周围的任意方向上,从而能实现卫星集群在中心卫星的周围全方向长期有界伴飞。最后,通过轨道仿真验证了该方法的有效性。