基于补偿最小二乘的航天器轨道确定方法研究

航天器动力学模型误差是降低轨道确定精度的关键因素之一,文章将航天器动力学模型中的模型误差转化为测量模型的系统误差,建立了测量方程的部分线性模型;并根据补偿最小二乘原理,推导了部分线性模型参数估计方法,并证明了相关性质。仿真试验表明:部分线性模型更接近测量数据的真实表现;基于补偿最小二乘的航天器轨道改进方法能有效逼近航天器状态真值,定轨精度显著优于传统最小二乘估计。     

簇飞行航天器网络动态连接和路径时空演进特性

簇飞行航天器模块的高速飞行增加了网络拓扑的不确定性.为优化簇飞行航天器的轨道设计,提升簇飞行航天器网络性能,在簇飞行航天器节点动态连接的基础上,开展基于概率连接矩阵的簇飞行航天器网络动态连接和路径时空演进特性研究.基于航天器双星伴飞模式,建立了簇飞行航天器节点移动模型,运用经验统计和曲线拟合的分析方法,得到簇飞行航天器网络节点间的距离密度函数;利用簇飞行航天器网络节点间相对距离有界的约束,给出节点连接距离的阈值范围;利用STK生成的轨道数据,通过给出序贯路径定义和一种新的矩阵乘法运算,得到节点多跳序贯路径的概率连接矩阵,分析轨道超周期内节点动态连接和路径时空演进特性,为簇飞行航天器网络的设计和优化提供理论参考.      

卫星初始轨道确定方法研究

卫星精密轨道确定过程实际上是通过求解轨道动力学微分方程组而对初始轨道不断改进的过程,因此,轨道确定的精度与速度不但依赖于求解微分方程组的具体算法,同样依赖于初始轨道的精度与准确性。针对多站测距/距离和数据,建立了一种轨道初值计算的几何方法,该方法集折射误差修正方法于一体,在进行观测数据折射误差修正的基础上,可以得到卫星在任意时刻的轨道初值。     

日心悬浮轨道混合推进航天器编队构型保持研究

针对混合推进航天器编队日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究.首先推导出在日心悬浮轨道附近的航天器编队相对运动方程,考虑到航天器间距离变化值较小且航天器间距离与航天器到太阳的距离的比值为小量,将其在悬浮轨道附近线性化.基于该线性化方程,设计了一种LQR编队控制方式,该控制方式可通过调节太阳帆的姿态及航天器间库仑力的大小对编队构型进行改变或保持,具有响应速度快和控制简单的特点.最后对控制律进行数值仿真,表明该控制方法能实现编队.     

“北斗”导航卫星定轨残差特征提取与分布检验

针对"北斗"导航卫星定轨残差中非建模系统误差问题,提出基于总体平均经验模式分解(EEMD)与Hilbert谱分析相结合的定轨残差特征提取方法,并对定轨残差正态分布特性进行卡方检验。首先,分析总体经验模式分解原理,提出滤波辅助的改进EEMD方法与Hilbert谱特征提取结合,建立定轨残差特征提取模型,并阐述卡方检验正态分布原理;然后对北斗导航卫星伪距与载波相位数据定轨残差特征进行分析;最后将提出的方法应用于多测站、多北斗GEO卫星的定轨残差分析中。结果表明,EEMD与Hilbert谱方法有效提取出了定轨残差中1天的轨道周期项,且EEMD处理后定轨残差的卡方统计量为5.5,其值小于卡方检验临界,可视为正态分布。该方法可为北斗定轨残差中非建模系统误差分离、提高定轨内符合精度提供有效技术手段。     

基于预报偏差的LEO航天器轨道异常检测

针对由轨道控制、大气环境、碰撞等因素造成的低轨(LEO)航天器轨道突变问题,提出了一种基于预报偏差的轨道异常检测方法。选择LEO轨道的半长轴和倾角作为特征轨道参数,利用SGP4模型长期项对目标的两行轨道要素(TLE)进行预报得到特征轨道参数的预报值,通过对特征轨道参数的编目数据和预报数据进行平滑后求差得到预报偏差序列,基于马氏距离对预报偏差数据的两个分量进行联合异常检测。对Terra卫星2010年的机动事件分析结果同NASA发布的其机动历史相吻合,表明该方法可以有效地检测航天器轨道异常的次数、时间和类型,可应用于空间目标的监视与空间态势的感知。     

空间碎片环境与碰撞预警仿真系统设计

在轨编目航天器数目已超过了9000,为了保证航天任务的顺利完成,必须对可能威胁到任务轨道的空间目标进行分析,文章首先对两行轨道根数和SGP4／SDP4轨道预报模型进行了分析,在此基础上建立了空间目标数据库及空间碎片环境与碰撞预警仿真和数据可视化系统。     

自由飞行段跟踪数据的系统误差估计

连续波雷达是目前外火箭轨道测量的主要高精度设备,用数学方法估计和修正其系统误差有特别重要的意义。根据自由飞行轨道方程准确的特点,利用轨道方程建立了估计自由段系统误差的非线性模型,并给出了求解系统误差和轨道参数估计值的计算方法。运用该方法,只要一套MISTRAM系统的跟踪数据,就能给出自由飞行段常值系统误差的估计。     

基于数据网格化方法的低轨辐射带建模技术

地球辐射带中的高能带电粒子是引起航天器材料和器件性能退化甚至失效的主要空间环境因素.因此,航天器设计中所采用的辐射带模型的准确程度对于航天器的生存能力和航天任务的完成质量至关重要.在利用我国自主辐射带高能粒子探测数据进行的辐射带建模中,探测数据的空间网格化是一项非常重要的工作.介绍了我国辐射带探测数据的情况,以及辐射带建模的方法和步骤;重点研究了不同插值方法在低地球轨道(LEO)空间辐射带建模数据网格化中的应用,并开展了误差分析.研究结果表明:在各种常用的插值方法中,反距离加权法、自然邻点法和最近邻点法适合工程化应用.其中,反距离加权法生成的数据网格对粒子通量的反演结果精度最高,该方法采用低阶距离时得到的反演结果更为合理.      

遗传算法在星座多星接近轨道优化中的应用

以三颗非共轨的Walker星座卫星为研究对象, 对航天器无需变轨与其接近的可能性进行研究. 将Lambert方法得到的航天器轨道作为初始轨道, 利用遗传算法对初始轨道进行优化. 对初始轨道在参考时刻位置和速度的改变量进行编码,形成对应的种群. 以航天器与星座卫星之间的最近距离为适应度函数, 通过种群的繁殖得到优化结果. 结合仿真算例, 分析了最小二乘算法和遗传算法在轨道优化中的优劣以及接近过程中轨道摄动的影响. 结果表明, 遗传算法适用于所提出的轨道改进问题. 研究结果可为单航天器无需变轨对星座多星接近问题提供理论依据.      

连续波雷达常值系统误差的估计

提出一种估计连续波雷达常值系统误差和轨道参数的非线性方法。该方法把一段较长时间的数据集中处理,运用样条函数描述轨道参数,建立精确的少参数的非线性模型,据此估计系统误差和轨道参数。和传统的最佳弹道估计（ＥＭＢＥＴ）方法比,该方法待估参数少、模型误差小、精度高。     

外弹道测量的定位误差对测速折射修正的影响

考虑了在外弹道测量中由于定位的测量误差（主要指常值误差）而带来的测速折射修正的误差。从折射修正的原理出发,推导了该项误差的表现形式。理论分析与仿真计算表明,在高准确度测量定轨中该项误差是不能忽略的。给出了扣除该误差的方法,以利于在数据处理中来消除该项误差,从而可提高定轨的准确度。     

Lambert转移中途修正的全局概率最优策略

应用Monte-Carlo法和遗传算法的联合仿真求解Lambert转移中途修正的全局概率最优策略.首先推广限制性三体问题中求解周期性特解的微分修正算法构造出考虑J₂项摄动下的Lambert转移轨道并以此作为参考轨迹,则中途修正策略仅需针对导航误差、初始偏差修正的控制偏差等进行补偿.应用微分修正算法导出的单值矩阵,设计出3类线性和非线性中途修正策略,以适应不同的精度需要.随后应用Monte-Carlo和遗传算法的联合仿真,可以得到实现代价函数(落点误差最小)在概率意义下的最优解.与直接利用优化算法寻优需要已知各种误差量不同,得到的最优修正策略更具有普适性.     

高弹道测量数据电波折射误差快速修正算法

飞行器制导精度评估、特别是航天器的姿态与定点控制、落点预报等，都离不开高精度的外弹道测量数据。在影响测量数据精度因素中，折射误差是主要误差源之一。目前折射误差修正方法中，一类精度很高，但计算速度太慢，无法应用于实时计算；一类速度很快，但因为使用的是简化模型，因而精度较差，难以满足未来高精度测控的需要。如何在确保实时计算速度基础上，又能提高其处理精度，正是文章构造出的快速折射修正二步方法所解决的课题。经仿真计算证明，该方法的结果完全满足实际工程对精度和速度的要求。     

Backstepping sliding-mode control of stratospheric airships using disturbance-observer

In the presence of unknown disturbances and model parameter uncertainties, this paper develop a nonlinear backstepping sliding-mode controller (BSMC) for trajectory tracking control of a stratospheric airship using a disturbance-observer (DO). Compared with the conventional sliding mode surface (SMS) constructed by a linear combination of the errors, the new SMS manifold is selected as the last back-step error to improve independence of the adjustment of the controller gains. Furthermore, a nonlinear disturbance-observer is designed to process unknown disturbance inputs and improve the BSMC performances. The closed-loop system of trajectory tracking control plant is proved to be globally asymptotically stable by using Lyapunov theory. By comparing with traditional backstepping control and SMC design, the results obtained demonstrate the capacity of the airship to execute a realistic trajectory tracking mission, even in the presence of unknown disturbances, and aerodynamic coefficient uncertainties.     

大气密度变化对卫星返回轨道参数的影响

本文在考虑大气密度(90km高度以下) 随地理纬度、高度及时间(月份)随机变化的基础上,沿卫星的返回轨道建立了随机大气密度的统计模型。并应用该模型产生的随机大气密度样本,进行返回轨道的Monte Corlo法模拟计算。通过对模拟计算得到的返回轨道参数样本的统计处理,本文分析了大气密度变化对卫星返回轨道参数的影响。另外,本文还介绍了近似估计大气密度变化对返回轨道参数影响的影响系数法。     

GPS 测量大气折射模型研究

在精密ＧＰＳ测量中,大气折射改正误差是最大的误差源之一。研究大气折射理论,建立更加符合实际的模型,推导精确的改正公式,已成为ＧＰＳ测量研究中最重要的课题之一。文章对大气层折射理论进行了深入研究,建立了新的大气层模型,推导出了新的更精确的折射改正公式     

样条函数最小二乘拟合的递推计算

在目前靶场数据处理中，参数估计与补点计算等常用多项式拟合，往往带来较大的截断误差。文章从外弹道数据特点出发，用样条函数拟合全弹道，并将样条函数和递推思想相结合，推导出了递推样条最小二乘拟合方法。仿真结果证明，该方法既提高了拟合精度与计算速度，又节约了计算机内存，是具有实用价值的方法。