编队卫星相对运动描述方法综述

对于近地轨道卫星编队飞行的相对运动理论研究,可以采用的方法包括直角坐标法和 轨道要素法。利用直角坐标法得到的相对运动动力学方程可以用于编队队形控制研究,轨道 要素法能够给出相对运动的运动学描述,便于定量研究摄动影响和进行编队队形设计。分析 了直角坐标法在描述卫星长期编队飞行方面的局限性,综述了利用轨道要素描述编队卫星相 对运动的各种研究方法,包括轨道要素差法、相对轨道要素法和参照轨道要素法等。     

摄动椭圆参考轨道的相对运动状态转移方程

当面质比不同的主从卫星在近地轨道上作编队飞行时,大气阻力摄动和J2项摄动就成为影响编队队形的两个最主要的因素,这样描述相对运动的状态转移方程必须考虑这两项摄动。该文利用相对轨道要素法推导了包含J2项摄动和大气阻力摄动参考轨道为椭圆的卫星编队相对运动较精确的状态转移方程。当主从卫星的面质比相等时大气阻力摄动对卫星编队队形的影响很小而可以忽略,这样上面的状态转移方程可以化为更简单的形式。仿真结果表明该状态转移方程能较精确的预测编队飞行的相对运动。     

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。     

椭圆轨道卫星编队队形及J2项摄动影响研究

基于椭圆轨道的两卫星相对运动方程,分析了参考星轨道为椭圆的编队飞行成立条件,给出了队形设计方法。讨论了J2项摄动对椭圆编队队形的影响。通过改变两卫星偏心率之差Δe调整环绕星的偏心率以消除部分J2项摄动。仿真结果表明,采用该法设计椭圆轨道编队队形可减少主动控制,节省燃料。     

大气阻力摄动对卫星编队飞行队形的影响分析

为了分析大气阻力摄动对卫星编队队形的影响,利用相对轨道根数法推导了包含大气阻力摄动的卫星编队相对运动的状态转移方程。仿真结果表明当几何形状和质量不同的两颗卫星在低轨道做编队飞行时,大气阻力摄动对编队队形的影响很大而不能忽略;当主卫星的半长轴相等时,主卫星轨道的偏心率越大编队飞行受大气阻力摄动的影响也越大;大气阻力摄动主要影响编队飞行迹向相对距离。     

卫星编队飞行精确动力学模型与三维定位系统

提出采用精确动力学模型应用多颗编队飞行小卫星实现三维定位系统（电子侦察卫星）。为此,首先应用运动学和动力学两种方法建立精确动力学模型和摄动方程,然后进行数学仿真和队形变化的分析,最后讨论位置保持控制策略。仿真结果表明：编队飞行三维定位系统定位精度高,不受纬度影响,而且可以实现全球同时定位功能。
     

近赤道卫星绕飞编队的运动学分析及轨道设计研究

首先对一般运动学方法在进行近赤道卫星编队相对运动分析和轨道设计时存在的问题进行了分析 ;其次介绍了一种基于零倾角轨道变换的运动学新方法 ,用其对近赤道卫星编队中参考卫星轨道倾角对环绕卫星轨道根数的影响进行了研究 ;最后对零倾角卫星编队相对运动方程的线性化误差进行了理论分析 ,并利用数值仿真对两种运动学方法的相对运动方程线性化误差进行了比较分析。数值仿真的结果表明 :由基于零倾角轨道变换运动学方法得到的相对运动方程的线性化误差不随参考卫星轨道倾角改变 ,而由一般运动学得到的相对运动方程的线性化误差随着卫星编队接近赤道而呈非线性增大。     

卫星编队飞行队形重构防碰撞方法研究

队形重构技术是卫星编队飞行领域研究关键问题之一.多颗卫星近距离编队队形初始化、队形调整及重构,卫星之间相对距离变化带来碰撞问题不可忽视.根据卫星间相对位置关系建立队形重构过程中碰撞概率函数表征该过程碰撞发生可能性,研究表明故障卫星的初始相位角及备份卫星进入编队的初始角度对碰撞概率有较大影响.根据Lyapunov稳定性理论设计改进LQR控制器,在保证队形调整控制精度不需增加过多调整时间及能量消耗的同时,可有效降低碰撞概率.碰撞概率计算方法、控制器设计及所得相关结论,对研究卫星编队队形重构过程星间防止碰撞问题具有一定意义.     

椭圆轨道卫星编队飞行的构型设计

研究了椭圆轨道卫星编队飞行的构型设计问题。首先给出常用的两类相对运动方程,即基于相对轨道状态的相对运动方程和基于轨道根数的相对运动方程,并推导出两类相对运动方程之间的对应关系。然后,针对卫星编队飞行的构型设计问题,结合两类相对运动方程的优点,提出一种简化的编队飞行构型设计方法,避免了复杂的计算。最后通过数学仿真进行了验证。     

非线性条件下编队卫星周期性相对运动条件

利用编队卫星机械能守恒原理，提出了非线性条件下求解编队卫星周期性相对运动条件的新方法，给出了非线性周期相对运动的初始条件。编队卫星相对距离较近时，利用非线性周期运动条件，可修正Hill方程的初始条件，抑制编队卫星的长期漂移。编队卫星相对距离较大，非线性因素不可忽略时，利用非线性周期运动条件，可找到不需消耗任何燃料的周期性相对运动轨道。最后的数值仿真结果验证了该方法的正确性。     

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     

编队飞行卫星相对轨道的自主确定算法

给出了描述编队飞行卫星近距离相对运动的C -W方程。讨论了基于相对位置测量的相对轨道自主确定方法 ,采用扩展卡尔曼滤波进行状态估计。仿真结果表明 ,在厘米级的测距精度和 0 0 1度的测角精度下 ,相对定轨精度能达到厘米量级 ,相对速度误差的量级为毫米 /秒     

高分辨率星载聚束式SAR的极坐标格式成像处理

极坐标格式算法是应用于聚束式 SAR成像处理的经典算法。基于极坐标格式算法 ,研究了高分辨率星载聚束式 SAR的成像处理及相关问题 ,分析了非平面运动、运动测量误差对成像质量的影响。最后 ,通过计算机仿真 ,给出高分辨率的星载聚束式 SAR的成像结果。     

近圆轨道编队飞行星座相对构型稳定性分析

在近圆轨道编队飞行的假设条件下 ,根据动力学关系推导出了环绕卫星相对参考卫星的运动学简化模型 ,并以此简化模型为基础 ,研究了半长轴入轨偏差δa ,轨道倾角偏差δi ,轨道偏心率偏差δe在地球扁率摄动条件下对编队飞行星座相对构型稳定性影响 ,深入分析了各种因素的规律和特点 ,并以此对编队飞行星座轨道设计提出建议。     

编队星座星间相对状态测量的间接实现

研究利用编队卫星间伪距测量值 ,自主确定编队星座星间相对状态的有关问题。文中针对编队星座的卫星之间存在发射和接收天线不能相互覆盖的情况 ,提出了间接覆盖概念。并给出系统的数学模型 ,分析实现间接覆盖的方法并进行协方差分析。最后 ,对间接覆盖情况作了仿真 ,仿真结果证明间接覆盖在星间相对状态测量中的可行性     

圆轨道欠驱动航天器编队重构脉冲控制

针对圆轨道径向或迹向欠驱动航天器编队重构控制问题,提出了欠驱动脉冲控制方法。首先,基于圆轨道欠驱动航天器相对运动动力学模型,分析了两类欠驱动条件下的系统可控性和重构可行性。然后,解析推导了两类欠驱动条件下实现重构所需的最少脉冲次数以及对应的速度增量消耗。最后,设计数值仿真算例,验证了本文提出的欠驱动脉冲控制方法的正确性。仿真结果表明:径向和迹向欠驱动条件下均可实现圆轨道编队重构。与全驱动控制方法相比,欠驱动控制方法可有效避免由推力器故障引起的重构任务失效,故而提高了控制系统的灵活性与可靠性。     

大型卫星编队的分布式协同姿态控制

随着卫星应用的日益发展,由卫星编队来代替单颗卫星进行工作已经 成为一种趋势。大型卫星编队的构型和控制问题的研究,作为未来的空间任务 发展和设计的基础是十分重要的。本文研究由多颗卫星组成的编队,讨论了协 同控制器的分类与结构,将编队视为一个分布式系统,其中每一颗卫星的控制系 统作为一个独立的控制单元,进行姿态协同控制器的设计。并利用李亚普诺夫 稳定性理论验证了控制器的全局稳定性,仿真结果表明这种分布式协同姿态控 制器有效可行。最后介绍了利用五自由度气浮台(Microsim)进行卫量编队协同 姿态控制的实验方法。     

卫星编队多Agent软件结构仿真研究

随着小卫星技术的发展,今后由多颗微小卫星近距离编队飞行将成为在轨航天器部署的主要形式。本文把多Agent思想引入卫星编队,提出了基于多Agent卫星编队软件结构,根据编队中不同卫星Agent的智能水平和相互关系给出了4种分布形式,在把智能水平最高的主星Agent模块化结构做重点介绍的同时,以避免两星碰撞为例阐述了模糊控制逻辑在主星决策Agent中的应用。     

卫星编队队形重构中的模型选择

推导了卫星编队进行燃料最优队形重构时,两组Lawden方程（时间域和真近点角域）下所建立目标函数的数学关系,指出在不需要解析解的情况下,动力学模型应选择时间域下的Lawden方程,目标函数应建立在时间域。首先,分别针对脉冲推力和持续推力机动,研究了两组方程下目标函数的差异。然后,以持续推力式重构方法为例,构造了燃料最优目标函数,基于最大值原理,建立了队形重构的两点边值问题。然后,采用边界迭代法求解初始协态变量,确定最优的控制加速度。最后通过数学仿真验证了模型分析的正确性及算法的有效性。