基于拉盖尔函数的卫星姿态预测控制方法

针对卫星在空间站中进行绕飞检测时的姿态控制问题，考虑卫星的姿态轴需要躲避禁飞区域并指向期望位置，提出了一种基于拉盖尔函数的模型预测控制方法，实现了对卫星姿态轴的控制。在模型预测控制方法的基础上，通过拉盖尔函数，将优化多个控制输入转换为优化少数的拉盖尔系数，建立了拉盖尔模型预测的控制策略，改善了传统的模型预测控制方法计算效率差的问题，减少了优化时间。采用卫星在空间站中绕飞的模型进行数值仿真验证，结果表明该方法能够使卫星的姿态轴躲避禁飞区并到达指定位置。与传统方法相比，这种基于拉盖尔函数的模型预测控制策略能够提高优化效率，减少计算时间。     

遗传算法在编队卫星群轨道机动中的应用分析

卫星群机动是航天器发展的一个方向.针对编队卫星群的Lambert机动问题,采用Gim-Alfriend矩阵建立了包含中心轨道根数和摄动项的群卫星的相对运动模型,设计了转移轨道上的卫星群队形协同保持的脉冲控制策略.应用遗传算法对编队卫星群轨道机动问题进行了优化,优化指标分别为卫星群协同变轨过程中总燃料消耗最少或燃料均衡分配最小.分析了群机动过程中燃料消耗的影响因素.算例结果表明遗传算法可以很好地应用于编队卫星群机动问题.     

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。     

交会对接绕飞段临界安全轨迹研究

以Hill方程为基础对圆轨道近距离双脉冲绕飞安全策略进行研究.首先给出双脉冲绕飞的模型,通过仿真遍历得到不会进入球形安全区的绕飞轨迹,然后绘制出这些安全的绕飞轨迹所对应的绕飞时间、燃料消耗、追踪器与目标器的初始距离三个量之间的关系曲面,进而得到临界安全条件下的关系曲线并拟合出关系表达式,最后对拟合误差进行分析发现导致轨迹偏离的程度很小.     

交会对接绕飞段临界安全轨迹研究

以Hill方程为基础对圆轨道近距离双脉冲绕飞安全策略进行研究.首先给出双脉冲绕飞的模型,通过仿真遍历得到不会进入球形安全区的绕飞轨迹,然后绘制出这些安全的绕飞轨迹所对应的绕飞时间、燃料消耗、追踪器与目标器的初始距离三个量之间的关系曲面,进而得到临界安全条件下的关系曲线并拟合出关系表达式,最后对拟合误差进行分析发现导致轨迹偏离的程度很小.     

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。     

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。     

多星近距离绕飞观测任务姿轨耦合控制研究

针对多星近距离绕飞观测任务,建立了相对姿态轨道动力学模型,分别考虑了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型,以观测卫星视线始终指向目标为期望姿态,采用基于四元数和角速度误差反馈的比例 微分控制律以及一种改进的基于人工势场法的制导方法相结合,对相对姿态及轨道进行控制。仿真结果表明：在控制律的作用下,绕飞过程中各观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望相对轨道;在空间圆绕飞轨道构型中,各观测卫星从初始同一位置出发后,在任意时刻3颗观测卫星构成的编队构型始终为正三角形,且正三角形的边长从零逐渐增大,最终等于期望正三角形构型的边长。     

星载InSAR辅星编队优化设计与分析

以“主星—辅星编队”InSAR系统干涉测高为应用背景,研究辅星编队的优化设计问题。首先,定义优化指标———“有效观测时间比”来描述全轨道周期观测性能,以共绕飞轨道、相位均匀分布的卫星编队(构形类似于CartWheel)作为研究的重点。选取描述编队卫星相对运动的振幅比和相位差作为寻优变量,通过仿真实例用搜索法得出了寻优变量与优化指标的三维关系图,并给出了优化构形的参数区域,得到了最优的编队卫星轨道根数。进一步研究了在主要摄动因素影响下卫星编队构形保持与轨道保持的燃料预算方法,并计算了上述优化构形一年的燃料预算。最后得出有益的结论,为全InSAR系统优化设计提供依据。     

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．     

空间站伴随卫星的轨道及形成分析

空间站伴随卫星是在空间站附近周期运动、为空间站提供特殊服务的航天器。论述了空间站伴随卫星的概念;分析了空间站伴随卫星的轨道及形成; 给出了空间站伴随卫星理想伴随轨道形成的条件。     

小卫星编队飞行及其轨道构成

由若干颗小卫星编队飞行组成一个分布式卫星 ,其功能相当或超过一颗大卫星 ,也称为虚拟卫星 ,这将开拓小卫星一个完全崭新的应用领域。文章首先论述编队飞行概念和轨道构成 ;其次讨论虚拟卫星可能的应用实例。     

一种双基站低轨道区域覆盖δ星座设计

在双基站理论研究基础上 ,进行了定倾角区域性覆盖双基站δ星座设计 ,采用倾角为 41°的回归轨道 ,用点覆盖数值仿真的方法设计了对地面站与空间站的一重覆盖与二重覆盖下的星座构型。且星座中各星之间 ,各星与空间站之间均可建立星际链路 ,保证数据在空间站、地面站及星座之间连续传递     

圆轨道航天器八面体编队构型轨道动力学分析

提出一个全新的八面体航天器编队构型,该构型体现出当前编队飞行多种轨道构型的特征,同时也适于作为空间演示试验的编队飞行模式。八面体编队构型的设计思路是基于C-W方程,轨道平面内沿航向编队构型可利用轨道动力学自然保持,正上方或正下方编队构型则需要依靠平面内控制来实现,垂直轨道平面的编队构型需要施加法向控制来实现。对基于C-W方程的悬停动力学模型进行了精度分析,最后以低轨道航天器的八面体编队构型为例进行了数学仿真验证。     

卫星编队飞行动力学仿真及其应用

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,这将开拓小卫星一个完全崭新的应用领域。文章首先研究轨道动力学,系统地研究编队飞行三种动力学模型,其次进行定位卫星和区域导航系统两个实例数学仿真,分析研究各种数学模型的精度和它们的应用场合。     

基于卫星自旋的纯引力轨道万有引力干扰抑制

一个称为“内卫星”的验证质量块位于外卫星的内部空腔中,不与外卫星接触而自由飞行,由于外卫星的屏蔽,其不受大气阻力、太阳光压等干扰作用,沿着纯引力轨道飞行。外卫星会对内卫星产生万有引力作用,是内卫星纯引力轨道的主要残余干扰。根据卫星相对运动动力学方程,建立了万有引力干扰对内卫星纯引力轨道影响的分析模型;基于将外卫星绕轨道面法向旋转以调制万有引力的策略,建立了外卫星自旋对万有引力干扰影响的抑制模型。以内编队纯引力飞行系统为例,对比计算了外卫星有无自旋时万有引力干扰对内卫星纯引力轨道的影响。基于模型的分析表明,外卫星自旋能够显著抑制万有引力干扰对内卫星纯引力轨道的长期影响;实例计算表明,万有引力干扰的天长期影响能够降低5~7个数量级。     

卫星群反作用飞轮的故障诊断方法研究

卫星群飞行技术是航天领域的新兴技术,多个低成本小卫星可以完成较为艰巨的太空任务,但与此同时也会带来更多的故障问题。面对复杂的空间环境,针对卫星群可能发生的故障问题,提出了一种分布式卫星群系统故障诊断方案,通过基于Elman神经网络的故障诊断方法完成对卫星群姿态控制系统的故障诊断。试验结果表明,该方案能够快速检测出卫星群中反作用飞轮发生的故障,并且让邻近卫星通过神经网络也能检测到该故障的发生,表现出很好的准确性和实时性,在实际应用中有效可行。     

Spin motion determination of the Envisat satellite through laser ranging measurements from a single pass measured by a single station

The Satellite Laser Ranging (SLR) technology is used to accurately determine the position of space objects equipped with so-called retro-reflectors or retro-reflector arrays (RRA). This type of measurement allows to measure the range to the spacecraft with high precision, which leads to determination of very accurate orbits for these targets. Non-active spacecraft, which are not attitude controlled any longer, tend to start to spin or tumble under influence of the external and internal torques and forces.If the return signal is measured for a non-spherical non-active rotating object, the signal in the range residuals with respect to the reference orbit is more complex. For rotating objects the return signal shows an oscillating pattern or patterns caused by the RRA moving around the satellite’s centre of mass. This behaviour is projected onto the radial component measured by the SLR.In our work, we demonstrate how the SLR ranging technique from one sensor to a satellite equipped with a RRA can be used to precisely determine its spin motion during one passage. Multiple SLR measurements of one target over time allow to accurately monitor spin motion changes which can be further used for attitude predictions. We show our solutions of the spin motion determined for the non-active ESA satellite Envisat obtained from measurements acquired during years 2013–2015 by the Zimmerwald SLR station, Switzerland. All the necessary parameters are defined for our own so-called point-like model which describes the motion of a point in space around the satellite centre of mass.     

三点测距副站技术

设计和研制的两个副站（乌鲁木齐站和广州站）和北京的主站相互配合形成三点测距系统,可以完成对风云二号卫星的测距定轨任务。文章着重介绍了副站的组成、作用和功能技术指标等。它的设计方法与国外同类技术相比颇具特色。经过对日本气象卫星进行的几年跟踪测试,及最后通过对风云二号卫星执行任务的验证,确认了副站方案的可行性,设计的合理性。