航天器编队飞行及其关键技术的开发

简要论述由分布式航天器系统构成的空间编队飞行的概念 ,扼要介绍 NASA为未来航天器编队飞行项目开发的几项关键技术 ,着重阐明基于 GPS的分散式编队飞行控制和相对导航技术能充当未来多星编队飞行任务的导航系统 ,从而使未来的空间科学研究发生深刻变化     

卫星编队飞行的应用研究

卫星编队飞行是空间技术发展的一个完全崭新和开拓性研究课题，对正在蓬勃发展的小卫星来说，可以认为是一次空间应用革命。以国际典型应用实例介绍了卫星编队飞行技术发展现状，以应用需求为目标，提出并论述了三个对地观测卫星编队飞行方案；研究分析了卫星编队飞行的关键技术。     

GPS在航天器编队飞行任务中的基础性作用

GPS正在改变航天器的测控格局 ,拓宽卫星和星座控制技术 ,从而构成空间编队飞行定时、测量和控制的技术基础。国内外已开发出对航天器编队飞行任务进行精确定位和导航的GPS方案。GPS将充当一大类多航天器编队飞行任务的导航系统。在当前开发的空间编队飞行技术中 ,编队航天器的测量和控制、星间链路通信、任务综合与验证、编队飞行试验台、分散式控制、高轨道航天器的相对导航等 ,无一不与GPS息息相关     

小卫星编队飞行动力学及其应用

由若干颗小卫星编队飞行组成一个虚拟卫星 ,其功能相当或超过一颗大卫星。这将为小卫星开拓一个完全崭新的应用领域。文章首先论述编队飞行的概念和应用 ,其次研究轨道动力学。系统地研究编队飞行三种动力学模型 ,最后进行相应数学仿真 ,分析研究各种数学模型的精度和它们的应用场合。     

小卫星编队飞行关键技术及发展趋势分析

卫星编队飞行是空间技术发展的一个新领域.通过编队飞行可将多颗小卫星形成一颗大的"虚拟卫星",即空间任务的预定功能由编队中各个只担当单一功能的卫星分担,由此整个卫星群可实现强大的功能.实现卫星编队飞行需要保持和控制星群的编队构型,精确确定星间的相对位置和相对速度,即相对导航.卫星编队飞行的关键技术包括轨道设计、轨道演变及控制,星间链路、编队运行管理和测控,以及卫星的自主定位、定轨.叙述小卫星编队的基本原理、轨道构成和技术特征,分析实现编队飞行所需的关键技术,介绍各国编队飞行的现有计划及未来发展趋势.     

编队飞行航天器测量通信一体化系统的交互链路技术

实现航天编队飞行需要有测量系统测定队列成员的相对位置、姿态和时间,还需要通信系统在编队成员间交换工程数据和科学实验数据。测量系统和通信系统都是实现航天编队飞行的核心技术。基于卫星导航技术,将卫星导航接收机、伪卫星发射机、伪码扩频序列通信和测距链路及相关数据处理模块组合,组成射频收发器,可以构成完成上述功能的测量和通信一体化系统。文中根据国外已有的实践经验阐明射频收发器设计中的交互链路设计技术,包括关于链路拓扑的考虑是采用星形网络还是网形网络;采用相控阵波束形成、分路多路径接收和多用户检测技术;采用半双工码分多址的多路传输体制和打包的信号结构;既可用兼用GPS和交互链路的相对导航,也可只用交互链路测距实现相对定位导航;在编队内外的星间通信乃至星地通信中引入移动IP功能等。航天器本身必须具备适应空间环境的耐辐射能力。     

航天器编队飞行和空间演示验证技术——有人照料空间实验室与平动-转动物理仿真器

航天器编队飞行是近年来国内外航天领域研究的热点问题,同时也是空间技术今后一个重要发展方向。为此文章首先讨论航天器编队飞行特点;其次研究编队飞行今后能否获得顺利成功应用,有关它的各种算法和软件空间飞行演示验证技术和方法;最后介绍了美国麻省理工学院空间系统实验室（MITSSL）对航天器编队飞行算法软件空间演示验证的方法和实验。     

纳型卫星编队飞行技术现状及发展趋势

对纳型卫星编队飞行进行了较全面综述,包括编队飞行、特点与现状以及空间飞行试验。根据空间市场预测,未来纳型卫星年发射量将占全球卫星总发射量1/3以上。文章据此论述了15个典型的纳型卫星编队飞行应用实例,总结了纳型卫星编队飞行的最新应用特点和发展方向,对我国发展纳型卫星编队飞行具有借鉴意义。     

星群、星座与编队飞行的概念辨析

首先对"卫星集群概念研究"一文提出不同意见,认为"卫星集群"不是新概念,而是常用名词"星群"。随后对星群、星座与编队飞行(含F6项目)的概念及相互区别进行明确论述;对星座和编队飞行的分类、特点、优势、应用、发展概况以及它们之间的区别作了较详细论证。     

卫星编队飞行相对轨道的确定

卫星之间相对轨道的确定对于多颗卫星编队飞行的控制和任务是十分重要的。结合空间圆形的编队飞行星座，本文给出了描述卫星近距离运动的C-W方程，讨论了空间圆形的编队卫星星座的构成，进而设定了利用激光仪测量星间位置矢量，并设计了Kalman滤波器来实现相对轨道的确定，分析和仿真结果表明，Kalman滤波器能够有效提高相对位置确定精度并给出相对速度的高精度估计。     

编队飞行卫星的自适应姿态协同控制

研究了双星编队飞行系统的姿态控制问题.在卫星转动惯量参数不确定下,给出两种编队飞行卫星的自适应姿态协同控制算法.第二种自适应协同控制算法,在实现对转动惯量参数的实时辨识的同时,还能够解决控制输入饱和问题.通过李亚普诺夫方法证明了编队飞行系统全局渐近稳定性.最后对给出的算法进行了数值仿真.结果表明,所设计的控制算法实现了编队卫星之间的姿态协同控制,是可行的、有效的.     

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。     

航天编队飞行星间通信及发展建议

航天编队飞行中的星间通信是航天编队飞行星座系统的重要组成部分。介绍了航天编队飞行系统及其星间通信的概念、特点、组成和关键技术，并提出了发展我国航天编队飞行星间通信的建议。     

航天器编队飞行相对运动轨迹优化方法综述

针对航天器编队飞行过程中存在的轨迹优化问题,首先系统综述其多种相对运动动力学模型,分类比较模型的特点,并考虑航天器运动环境和不同求解方法阐述编队轨迹优化问题。在建立数学优化模型的基础上描述该问题的一般形式,提出了航天器编队飞行相对运动轨迹优化问题的难点。综述航天器编队飞行构建或重构任务中轨迹优化问题的求解方法,总结分析其优缺点,并介绍常用的数学求解工具。最后,提出值得深入研究的关键技术需求和航天器编队飞行未来发展的重要方向。     

一种观测我国海岸线和近海的小卫星编队飞行方案

采用小卫星沿航向编队飞行方案,对我国海岸线和近海500多万平方千米面积每相隔几小时就能观测一次,若需要针对关键地区,则采用无人机进行更详细、更精确的观测。目前无人机先进遥感器成像分辨率为几厘米,续航时间几十小时。卫星和无人机结合可完全满足所有突发事件观测的要求。文中首先论述对海岸线和近海观测的时间和空间分辨率要求;其次讨论小卫星沿航向编队飞行的轨道设计,以及重访时间为几小时观测系统的实现途径。文章仅提供一个新方案设想,但采用这种1天回归轨道卫星沿航向编队飞行的方法,对其他地区提高观测时间分辨率也有普遍的应用意义。     

卫星编队飞行相对位置自适应协同控制

针对卫星编队飞行相对位置协同控制问题,基于编队卫星相对运动非线性动力学方程和一致性理论设计了两种自适应协同控制器。首先,在卫星质量不确定和星间信息交互存在通信时延的条件下,设计了一种全状态反馈自适应协同控制器,并证明了该控制策略对空间摄动力的鲁棒性。其次,进一步考虑速度信息不可测的条件下,采用滤波器设计了一种无速度反馈的自适应协同控制器。最后,以编队构型重构为例对两种自适应协同控制器进行了仿真校验。仿真结果表明：两种自适应协同控制器均可有效应用于卫星编队飞行相对位置的协同控制,能够保证编队卫星对各自期望轨迹跟踪的同时暂态保持编队构型的稳定,具有较高的控制精度。     

基于气浮台的编队飞行地面试验建模与鲁棒控制器设计

为分析验证卫星编队飞行涉及的相对导航、制导与控制以及星间通信等问题,搭建了编队飞行的地面试验系统,采用了一块3m×4.5m的气浮平台和具有两个平动自由度和一个转动自由度的卫星仿真器分别来模拟低阻力的空间环境和编队飞行的卫星,相对导航采用了视觉相机和室内GPS两种方案,星间通信则通过蓝牙进行模拟。推导了描述仿真器间相对运动的包含参数不确定性的动力学模型,并基于此模型设计了带极点配置的鲁棒H∞控制算法,通过姿态同步和构型保持等仿真实验重点对编队飞行的相对导航、星间通信和相对状态控制进行分析验证,对实际的编队任务具有一定的参考和指导意义。     

日地系统拉格朗日点航天器编队飞行现状与关键技术

深空探测可以帮助人类研究太阳系及宇宙的起源、演变和现状,进一步认识地球环境的形成和演变,认识空间现象和地球自然系统之间的关系,因而具有重大的科学与技术意义。由于日地系统拉格朗日点附近的航天器编队适宜进行深空观测等科学使命,所以日地系统拉格朗日点航天器编队飞行技术就成为深空探测的重要技术之一。本文通过分析美欧若干日地系统拉格朗日点编队飞行使命,介绍了该项技术的发展现状,分析了拉格朗日点在深空探测中的战略地位,总结了日地系统拉格朗日点编队飞行的关键技术,并对这些关键技术进行了分析。     

编队飞行干涉SAR卫星系统任务分析与设计

介绍了编队飞行卫星干涉合成孔径雷达（InSAR）测高的基本原理,在此基础上提出了编队飞行InSAR卫星系统顶层任务分析的基本要素和流程,分解出了测高误差分配、基线设计与测量、轨道构型设计、星间同步等关键技术,对各关键技术的相互关系及其基本解决途径进行了研究,并分析比较了不同InSAR载荷工作模式的性能及其与卫星系统的相互约束关系,可以为型号系统设计提供参考。     

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。