严格回归轨道自动生成算法及实现

近地太阳同步轨道卫星由平时轨道快速、精确机动至严格回归轨道是实现特定区域周期性重访的必要前提。为提高区域重访的快速响应能力,提出了一种严格回归轨道自动生成算法。首先根据重访区域的交点周期及重访周期要求,利用解析法快速生成初始严格回归轨道;然后基于太阳同步轨道特性并利用数值法进行多次寻优生成严格回归轨道,针对轨控时间、燃料消耗、偏心率等约束条件,给出了多脉冲轨控策略的具体实现;最后构建了轨道衰减的解析表达式,推导出严格回归轨道的控制窗口。结果表明:在国内可见弧度实施5天共5次轨道控制,卫星由太阳同步轨道机动至1天15圈的日回归轨道,区域重访周期约23h 59m 50s,燃料消耗59.9kg;在轨迹漂移量为5km的要求下,在标称轨道半长轴的基础上增加110.778m,轨迹网保持周期由15天延长至一个月以上,满足严格回归轨道重访要求。     

基于汇聚点观测的天基光学监视星座设计

针对地球静止轨道目标监视问题,提出了一种基于汇聚点观测的天基光学监视星座设计方法.研究分析了地球静止轨道目标分布特性,针对静止轨道目标在特定位置分布密度较大的特点,设计了监视星座对汇聚点区域进行重点观测的策略.分析了监视星座的轨道类型和传感器观测策略,提出采用太阳同步轨道设计监视星座和相应的汇聚点区域观测的方法.在满足对汇聚点观测要求及同步带重访周期为1d的条件下,对星座进行了设计.仿真结果表明：设计的4颗卫星组成的观测星座,对同步带目标的重访周期小于1d,24 h内的平均观测时间约为900 s,且能观测到更多的同步带目标.该方法可供工程应用参考.     

一种大椭圆轨道卫星星历预报方法

针对大偏心率轨道长时间星历预报,稠密输出星历的低效率问题,提出了一种新的星历预报方法。该方法通过建立卫星摄动力模型,对卫星运动方程进行数值积分来获取卫星星历。该方法的轨道积分器以标准的8阶Adams-Cowell多步法为基础,针对大偏心率轨道的特性,在一个轨道周期的不同时段内采用不同的积分步长,同时引入了用于生成小间隔等间距卫星星历的插值公式。该方法降低了卫星运动方程右函数的计算次数,尤其适用于需要稠密输出卫星星历的情况。以STK(Satellite Tool Kit,卫星工具包)的HPOP(High Precision Orbit Propagator,高精度轨道预报)模型为验证基准,通过数学仿真校验了该方法的有效性和精度。算例表明,该方法在预报精度损失很小的情况下,计算时间远小于标准的多步法和HPOP模型。     

基于遗传算法的太阳同步轨道组网访问序列优化

针对考虑回归周期、重访周期及地面站接收数据冲突等多约束条件下太阳同步回归轨道多星组网问题,开展了基于遗传算法的组网优化研究。通过分析太阳同步回归轨道运动特性与星下点的关系,构造了回归周期内轨道的访问序列,建立了卫星半长轴、相位差与太阳同步回归轨道的关系;结合组网卫星有效载荷指标参数,分析了回归周期、重访周期与访问序列的关系及极值;将组网卫星的访问序列作为优化参数,采用二进制编码方式建立综合适应度函数;设计了遗传算子并通过种群繁殖得到优化结果。仿真结果表明,该方法能够快速设计出满足约束条件的组网优化策略。     

混合小推力航天器日心悬浮轨道保持控制

针对太阳帆、太阳电混合推进航天器日心悬浮轨道保持控制问题进行了研究。为解决基于局部线性化模型设计轨道保持控制器时存在的控制精度不高、模型精确性过度依赖等问题,应用自抗扰控制(ADRC)技术设计了轨道保持控制器。首先,采用圆形限制性三体问题(CRTBP)模型推导了混合小推力航天器日心悬浮轨道动力学方程;然后,考虑系统模型不确定性和外部扰动,提出了一种基于扰动估计和补偿的轨道保持控制方法;最后,数值仿真表明存在系统模型不确定性、初始入轨误差及地球轨道偏心率扰动等因素的情况下,所设计的控制器仅需很小的速度增量即可实现高精度的日心悬浮轨道保持控制。     

一种卫星精密星历的插值方法

在卫星各种应用中通常需要对卫星的星历进行插值,而且要求插值后星历精度仍保持与原轨道精度相当。本文采用在拉格朗日多项式插值方法基础上改进的Neville算法,对一颗低轨道地球卫星进行了仿真计算,分别对采用轨道根数和直角坐标速度形式的轨道进行插值。仿真结果表明选取合理的插值方法后,可以得到高精度的卫星星历,具有工程应用价值。     

地球低轨道空间站往返月球的转移轨道设计

围绕地球低轨道空间站约束下的地月往返转移任务,基于圆锥曲线拼接模型和兰伯特问题提出了该约束下的地月/月地转移轨道解析设计方法,并利用高精度动力学模型对初始轨道设计方法进行了验证;对中国空间站和国际空间站往返于月球的转移轨道进行了特征分析,包括轨道转移窗口、速度增量、转移时间以及月固坐标系下的可达月球低轨道和出发月球低轨道。结果表明:中国空间站或国际空间站与月球低轨道之间的往返轨道转移窗口每月至少存在3个;空间站轨道倾角不影响速度增量与转移时间,且不影响可达月球低轨道或出发月球低轨道在月固坐标系下的轨道倾角-升交点经度分布;利用高精度动力学模型可有效针对轨道面约束下的初始轨道设计结果进行修正。     

地月系统循环轨道初步设计与特性分析

基于平面圆型限制性三体问题(CR3BP)模型,根据轨道弧以及顺行和逆行特征采用圆锥曲线拼接法设计了5类地月系统周期轨道。以地月系统循环轨道的工程约束为出发点,从轨道周期、近地点高度、近月点高度、交会对接速度、轨道稳定性等方面分析了这5类周期轨道的特性,从中选择了适合地月系统循环轨道任务方案的周期轨道,并对周期轨道进行了优化。该研究为我国未来载人登月工程提供了一种新的思路与理论技术支持。     

大型航天器无控飞行再入时间短期预报的轨道摄动方法研究

针对寿命末期大型航天器临近再入前轨道衰降受到跨流域多尺度非平衡环境下气动力/力矩影响显著的问题,基于体坐标系下的气动力和力矩分量,建立了航天器轨道-姿态动力学摄动模型;结合航天器再入跨流域空气动力学统一计算理论与数值模拟手段,提出了大型航天器无控飞行轨道衰降过程气动特性一体化快速算法。基于地心惯性坐标系气动融合轨道动力学方程数值积分方法对航天器的轨道姿态摄动模型进行了外推计算,结合无迹卡尔曼滤波方法对外测轨道星历观测数据初值误差和模型误差进行了滤波。针对250～120 km高度范围的大型航天器短期轨道衰降变化进行仿真预测,对比了外测轨道星历数据,结果表明:本文提出的经卡尔曼滤波误差分析的轨道摄动模型方法对寿命末期大型航天器短期轨道预报具有较强的模拟能力与有效性,有助于推动近地轨道空间目标气动融合轨道数值预报领域发展。     

利用GPS进行精密轨道确定

全球定位系统(GPS)完全布满卫星后,将成为近地卫星的精密轨道确定(POD)强有力的工具。该系统具有连续跟踪覆盖能力,不仅可实现传统的动力学精密轨道确定方法,而且还可进行运动学轨道确定。来自至少四个GPS卫星的伪距测量值,通过载波相位测量值的平滑,可测定天线相位中心的地心位置和用户卫星的时钟修正值,因而后一技术不需要用户卫星受力的动力学模型。运动学法对测量模型的影响非常敏感,如GPS星历误差(给定的或求解的)、信号的多径、接收机噪声等等;然而,动力学方法又受参数误差和/或力模型不完善的影响。为此研究出一种利用过程噪声补偿对运动学和动力学算法进行加权的混合方案。本课题的中心点是利用仿真辅以协方差分析,研究这几种定轨方法。建立了几种动力学和测量误差模型,这些模型造成的轨道不确定性与处理实际GPS数据而估计的星历误差大致相当。协方差分析经调整能反映这些误差,能看出各种滤波技术的特性。     

基于大幅值Lyapunov轨道的地月转移轨道设计研究

基于平面圆形限制性三体问题模型,利用与绕月轨道相切的大幅值Lyapunov周期轨道,提出了一种新的地月转移轨道设计方法。根据Poincaré截面与限制性三体问题动力学系统对称性计算得到的大幅值Lyapunov轨道,通过与绕月轨道拼接,将地月转移问题转化为地球到大幅值Lyapunov轨道的转移问题。为保证探测器能够从近地轨道（LEO）切向逃逸到达大幅值Lyapunov轨道,通过计算其稳定流形,采用最近点作为Poincaré截面的终止条件求解探测器的初始状态,并根据初始状态完成地月轨道的设计。仿真结果表明,该地月转移策略相比于Hohmann转移,在同样只需要两次速度增量的前提下,约节约100 m/s的速度增量,该研究为地月转移轨道的设计提供了一种新思路。     

基于北斗混合星座的星历参数适用性分析

针对北斗全球卫星导航系统混合星座条件下不同星历参数表达方法的性能评估问题,采用了从信息占用量、轨道拟合精度、接收机首次定位时间3个方面统筹考虑的评价方法。针对北斗系统的混合星座构型,比较北斗广播星历16参数和新设计的广播星历18参数的参数定义及用户算法异同,分析了不同星历参数表达所带来的性能变化。仿真分析结果表明,两种星历参数表达虽然都能描述北斗混合星座中的地球同步轨道(GEO)、中间地球轨道(MEO)、倾斜地球同步卫星轨道(IGSO)的卫星轨道特性,但是它们的具体性能有明显的差异,星历18参数的轨道拟合精度比16参数的提高了2~3cm,但其信息表达却多占用了63bit,且接收机首次定位时间多消耗了1.26s。     

应用非线性模型预测控制的绳系卫星Halo轨道保持控制

针对哑铃型绳系卫星在圆形限制性三体问题(CRTBP)中的Halo轨道保持控制问题,应用非线性模型预测控制(NMPC)方法设计了Halo轨道保持控制器。首先采用摄动法得到目标Halo轨道,通过跟踪目标轨道上一运动点,将其转化为目标跟踪控制问题,然后设计非线性模型预测控制器对其进行跟踪控制。利用4阶Ronge-Kutta法对原非线性模型进行离散化,将预测控制中的有限时域最优问题转化为非线性规划问题进行求解,得到下一周期的控制量。最后通过数值仿真验证了即使在初始位置偏差较大的情况下,所设计的控制器只需要很少的速度增量就可使绳系卫星系统运动至目标轨道,并精确地保持在目标轨道上。     

在SA条件下利用GPS的轨道确定和点定位

GPS精度控制(SA)措施降低了GPS标准定位业务(SPS)非差分用户的定位精度。常说的SPS可达精度在正常条件下为100米(2DRMS)。在缺乏更多具体条件下,许多未来的SPS用户在他们的规划中采用了100米这一精度值,但多数情况下,是夸大了实际定位误差。在本文中,我们针对轨道用户星的点定位和动力学轨道确定来研究SA带来的误差。要使SA带来的误差减至最小,非差分用户有几种选择:扩大接收视场;观测尽可能多的GPS卫星;在时间上平滑误差;选用独立计算的GPS精密轨道星历(如NASA和美国测绘局计算的),而不采用广播星历。仿真计算表明,3维点位误差可保持在30米,并且在几小时内能平滑到3米。     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入对航天器相对位置、姿态控制的需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿Z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

共位衍射电磁航天器成像过程中的小推力控制 (新型推进系统控制专栏)

为了满足衍射成像系统在解决低轨遥感航天器覆盖范围小、目标重访周期长等问题的同时,而引入的航天器相对位置、姿态控制需求。针对共位衍射航天器相对位置、姿态控制过程中传统推力器带来的羽流污染问题,本文采用电磁推力器和飞轮作为执行器,设计一种基于快速非奇异滑模的轨道控制器和基于PID的姿态控制器。所设计的快速非奇异滑模轨道控制器为共位衍射航天器频繁位置调整提供控制保障,基于PID的姿态控制器能够消除由电磁力耦合产生的电磁干扰力矩。研究结果表明：基于相对轨道动力学方程设计的快速非奇异滑模控制律鲁棒性好、收敛速度快,能够达到两颗共位衍射电磁航天器沿z轴保持在10m相对距离的控制效果。在轨道调整过程中,其姿态能够通过PID算法稳定控制到期望姿态,使衍射成像结构一直保持不变,从而有效完成衍射成像任务。     

航天器近距编队轨道动力学模型及仿真

针对目前航天器近距编队长期飞行中存在的HCW模型精确度不够的问题,提出了利用平均轨道根数线性微分漂移率预测J_2摄动下航天器近距编队相对运动的方法,建立了一种新的航天器近距编队轨道动力学模型.仿真结果表明,解析模型计算得到的相对运动轨道和不考虑J_2摄动影响的相对运动轨道相比,解析模型运算时间很短,精度提高约50%(10个轨道周期之后),证明了模型的有效性和快速性,适合在线运行,同时给出了解析模型的适用范围.     

导航星座自主导航技术--自主星历更新

自主星历更新是导航星座自主导航的关键技术之一,包括卫星轨道精密确定和轨道短时预报两个方面的内容。本文在系统地论述导航星座自主导航的信息处理流程的基础上,重点提出星座卫星轨道精密确定的自适应Kalman滤波算法。系统仿真结果表明：通过星间双向测量数据的滤波处理,能够获得高精度的卫星星历和较小的用户测距误差（URE）,满足高精度导航定位需求,初步证明导航星座自主导航信息处理流程及其星历更新算法的合理性和可行性。     

18参数广播星历分析研究

针对18参数广播星历模型对混合星座（包含GEO（地球同步轨道）、IGSO（倾斜地球同步轨道）、MEO（中地球轨道））的拟合精度和稳定性问题,利用摄动理论中的分析方法研究18参数广播星历模型新增参数的物理意义,通过数值仿真比较分析18参数模型与16参数模型对混合星座的拟合精度和稳定性。分析研究表明,新增2个参数可以较好地逼近轨道变化的长周期项,相同拟合弧长的拟合精度比16参数提高了50%左右,但受短周期项影响,拟合不够平稳,同时由于轨道变化特征的差异,对GEO和IGSO卫星的拟合不如MEO卫星稳定。数值仿真结果表明,要保证稳定性必须增加拟合弧长,但拟合精度会有一定下降,18参数条件下,MEO卫星选用3h拟合弧长能保持很好的稳定性,GEO和IGSO卫星则需要选择5h拟合弧长。     

在轨服务的相对运动耦合动力学建模与分析

研究在轨服务航天器逼近与捕获目标航天器的相对轨道姿态耦合动力学建模问题。考虑航天器姿态与对接位置的运动耦合,建立目标运行在任意轨道下的相对轨道姿态耦合动力学模型,并对模型中的运动耦合进行深入分析。设计一种非线性的输出反馈姿态控制律,将建立耦合动力学模型与CW方程进行仿真比较,验证轨道与姿态的运动耦合对两航天器对接点之间相对位置的运动影响。