长征三号甲系列运载火箭高适应性发展——从总体与导航制导控制的视角

从总体与导航制导控制的视角,对长征三号甲系列运载火箭发展与成就进行了分析和小结。长征三号甲系列运载火箭,在长征三号运载火箭解决我国发射高轨道卫星有无问题的基础上,历经基本能力、适应能力、高适应能力的发展,具备了高轨道大型卫星运载能力,突破了从单一轨道面到三维空间各种轨道发射、从高轨卫星转移轨道到工作轨道发射、从地球轨道到地月轨道发射以及从航天技术试验到高可靠工程应用发射等关键技术,使我国运载火箭整体能力取得了地球全轨道发射、星际轨道发射等跨越发展。航天重大工程和国际商业发射表明,该系列运载火箭已进入世界高轨道航天器发射的运载火箭前列,并奠定了进一步开拓发展的基础。     

通过超实时仿真验证轨控策略方法研究

"嫦娥一号"卫星任务中轨道复杂、轨控次数多,为保证每一次轨控的成功,需要考虑各种约束条件制定最优轨控策略,并能得以验证。本文提出通过超实时仿真验证轨控策略的方法,并以某次轨控为例,详细介绍了该方法的实施步骤。通过超实时仿真验证轨控策略可以评估轨控策略的准确性,并实现在任务执行过程中对轨控相关指令的检验。     

航天器共振轨道研究

建立航天器非开普勒运动理论是航天技术发展的必然。提出了一类非开普勒轨道——共振轨 道。共振是自然界的一种普遍现象,当发生共振时,很小的输入可以使系统的状态产生较大 变化。研究表明航天器在推力作用下的非开普勒运动在参数平面内可以视为一种受迫振 动,也会发生共振现象。因此,可以利用共振原理来研究航天器的运动,称这样一类非开普 勒轨道为共振轨道。首先通过合理地选择轨道描述参数、时间尺度和推力描述方式建立 航天器共振轨道的动力学模型。然后讨论航天器在推力作用下轨道运动的振动规律,并给出 共振轨道的概念及轨道方程。最后提出基于共振轨道的机动轨道设计方法。
     

中国巴西地球资源卫星的轨道捕获和轨迹交会控制

中巴地球资源卫星一号(CBERS-1)是中国和巴西合作研制的第一颗运行在太阳同步轨道上的地球资源卫星.CBERS-1于1999年10月14日由中国自行研制的长征运载工具按预定计划准时发射,进入设计轨道,随后通过轨道捕获、星下点轨迹控制和多次轨道保持机动等一系列轨道测控操作,该卫星已按遥感用户的要求正常运行在高精度的太阳同步、回归冻结轨道上.本文简要阐明CBERS-1轨道控制系统的任务目标、系统结构、轨道控制策略、控制性能、飞行软件和在轨操作以及飞行结果.     

基于迭代修正方法的严格回归轨道设计

通过分析太阳同步回归轨道的轨道根数和星下点经度/纬度的关系,推导了一组轨道根数的修正公式。基于高精度轨道动力学模型和升交点位置确定方法,构造了关于轨道半长轴和轨道倾角的迭代修正方法。针对偏心率矢量的动力学系统所具有的极限环特性,构造了平均法求其解析近似,从而实现冻结轨道特性对偏心率和近地点幅角的迭代修正。结合迭代修正,得到一组严格回归的轨道根数。该轨道能够重访空间目标点,具有较高的回归精度。     

月球重力场环境对月球卫星轨道影响分析

文章分析了月球复杂的重力场环境对月球卫星轨道运行的影响。通过月球卫星冻结轨道与地球卫星冻结轨道的对比分析,结果表明月球重力场存在较大异常,并由此引起月球卫星轨道发生较大漂移。另外,月球冻结轨道在带谐项影响下还存在中等周期的漂移,仅简单考虑带谐项系数无法求得完美的月球冻结系数。由于月球重力场异常对绕月卫星的影响与地球轨道卫星情况相比存在很大差异,因此月球轨道卫星的长期运行与控制策略的设计必须充分考虑此影响。     

航天器相对运动水滴型悬停轨道研究

对航天器相对运动的C-W方程进行了分析,提出了航天器相对运动轨道设计中的一种水滴型悬停轨道,能够实现航天器相对空间目标在一定范围内进行悬停,并且只需使用脉冲速度增量控制即可实现长时间的悬停。文章对悬停轨道的悬停周期与目标航天器轨道参数和悬停位置的关系,以及悬停控制所需的速度增量ΔV进行了分析,给出了进行悬停轨道选择及设计的工程方法,并对C-W方程的状态转移矩阵进行了推导,得到了由常规的后方伴飞轨道使用脉冲速度控制方案进入目标星正下方的悬停位置的初始速度增量、转移时间及末端速度增量。根据分析结果,水滴型悬停轨道有利于工程实现,其设计方法可以应用于航天器在轨服务、侦察、巡视等任务的轨道设计。     

近地卫星星历的高精度星载算法研究

随着星载计算机系统结构和性能的改善,利用星载计算机实现高精度的星历计算成为可能。本文针对近地轨道卫星提出了一种适合星上轨道预报的数值算法。通过采用简化的动力学模型和一种嵌套插值算法的积分器,有效提高了计算效率,降低了对星载计算系统的性能要求,从而实现高精度的卫星星历星载计算。该算法在星载计算机系统平台上进行仿真验证的结果表明,对于某飞行器可实现轨道预报1天优于1km的星历计算。     

月球探测器LP精密定轨及月球重力场模型解算

对美国1998年发射的月球探测器LP任务阶段共19个月的双程测距测速轨道跟踪数据进行了精密定轨,对定轨结果通过轨道残差及重复弧段差异进行了精度评价。利用LP正常任务阶段三个月的轨道跟踪数据进行了月球重力场模型解算,通过重力场功率谱、轨道残差和月球自由空气重力异常对解算模型进行了精度评价。结果表明精密定轨及月球重力场模型解算合理。对进一步融合嫦娥一号轨道跟踪数据和LP数据解算自主的高精度月球重力场模型具有参考意义。
　
     

考虑地球扁率效应的两圆轨道之间的双共切最优转移

两圆轨道之间的双共切转移轨道是其近地点和远地点分别在这两个圆轨道上的椭圆轨道。本文用两次冲量法给出了沿双共切椭圆轨道实现从一圆轨道向另一圆轨道转移的最优方案，并考虑到地球扁率造成的轨道摄动。文中的所谓圆轨道指的是变轨时刻的密切轨道为圆形的轨道，是对近圆轨道的近似替找。     

低轨道卫星GPS精密定轨动力学方法的研究

结合低轨卫星简化动力学定轨算法,以及不同几何信息精度条件下的纯几何定轨和动力定轨精度比较,定量分析星载双频GPS实现精密定轨过程中的主要因素,得到星载GPS接收机性能设计所需的关键技术指标,为卫星精密定轨系统的顶层设计提供了科学合理的参考依据。     

基于模型预测的轨道自主快速大机动控制

为改善太阳同步轨道(SSO)卫星轨道大机动经典控制方法的性能,提出了一种基于卫星动力学模型预测的轨道自主机动控制算法,用大推力轨控发动机开环控制加小推力器闭环修正进行控制。给出了制导策略和算法流程。理论分析和仿真结果表明,该控制算法适于卫星轨道自主快速机动控制,其轨控精度较高,收敛时间可满足快速性要求。     

太阳同步卫星的轨道设计

在轨道六要素的基础上，分析了卫星太阳同步轨道设计时降(升)交点地方时、升交点赤经，以及冻结轨道参数等的确定方法。并给出了在轨道交点周期、回归圈数、回归周期、重复周期和其他因素等约束条件下的轨道设计要点。最后给出了一个轨道高度750～800km，卫星太阳同步轨道、冻结轨道和回归轨道的算例。     

组合体与飞船联合轨道维持

通过组合体与飞船联合轨道维持解决了组合体和飞船轨道多特征参数的控制问题。建立了升交点经度、轨道高度和偏心率的控制方程以及基于时间关联特性的升交点赤经和制动点高度耦合控制方程和偏心率保持的双冲量耦合控制方程。结合组合体与飞船的飞行特点,制定了组合体轨道维持实现升交点赤经和轨道偏心率以及飞船轨道维持实现制动点高度的联合控制策略。耦合控制方程使得组合体和飞船轨道维持的控制量分配合理,融合了各次控制之间存在的耦合影响,设计了联合轨道维持策略迭代计算流程。基于神舟九号交会对接飞行过程,通过多组仿真算例校验了组合体与飞船轨道多特征参数的联合优化控制,具有较好的工程应用价值。     

Contingency and recovery options for the European Student Moon Orbiter

This paper presents an overview of the analysis performed on the lunar orbit and some of the possible contingencies for the European Student Moon Orbiter (ESMO). Originally scheduled for launch in 2014 –2015 as a piggyback payload, it was the only ESA planned mission to the Moon. By way of a weak stability boundary transfer, ESMO is inserted into an orbit around the Moon. Propellant use is at a premium, so the operational orbit is selected to be highly eccentric. In addition, an optimization is presented to achieve an orbit that is stable for 6 months without requiring orbit maintenance. A parameter study is undertaken to study the sensitivity of the lunar orbit insertion. A database of transfer solutions across 2014 and 2015 is used to study the relation between the robustness of weak capture and the planetary geometry at lunar arrival. A number of example recovery scenarios, where the orbit insertion maneuver partially or completely fails, are also considered.     

基于联合定轨策略的星间相对测量自主定轨亏秩问题的改进

发展基于天基测控网的卫星测控定轨技术是克服传统地面测控方式缺陷的有效手段,而仅仅利用天基星间测量信息进行自主定轨易产生亏秩现象.为消除亏秩问题进一步提高定轨精度,本文以位置速度矢量作为轨道改进状态向量,对基于星间相对测量自主定轨亏秩问题的本质进行了再探讨,针对星间相对测量的三个应用领域中继卫星系统、编队卫星星座、双星定位系统提出了基于联合定轨策略的天地基测量信息融合的改进措施.以双星定位系统为例提出了数值融合联合定轨算法,并进行了联合定轨仿真实验.仿真计算结果表明,基于数值融合算法的联合定轨策略能够大大改善法方程系数矩阵的性态,两天观测数据下用户星定轨精度可以达到11.26米.     

不同月球借力约束下的地月Halo轨道转移轨道设计

针对地月系L2点不同任务需求下的低耗能转移轨道设计问题,基于不变流形理论与混合优化技术,深入研究了不同月球借力约束与不同幅值Halo轨道的入轨点（简称HOI点）对转移轨道飞行时间与燃料消耗的影响,给出了HOI点选择策略。首先结合任务要求并考虑月球引力影响,在月球借力点施加不同约束条件,通过微分修正算法调整Halo轨道的稳定流形,设计月球到Halo轨道的转移轨道。采用遗传算法与微分修正算法相结合的混合优化策略,在同时考虑地球停泊轨道高度、倾角、升交点赤经与航迹角等多约束条件下,对燃料最优的地月转移轨道进行研究。最后,分析月球借力高度、借力方位角和不同HOI点对平动点转移轨道飞行时间与燃耗变化量的影响,对于考虑月球借力的地月平动点转移轨道设计与应用具有重要的参考价值。     

线性相对运动的正切拦截和正切交会轨道研究

针对冲量方向与追踪器速度方向相同的正切轨道问题,用线性相对运动方程研究了正切于初始轨道和正切于目标轨道的共面轨道拦截和轨道交会问题。得到初始和终端时刻的相对速度向量的解析表达式,定义了两个关于目标真近点角的单变量函数,于是正切拦截和正切交会问题等价于这两个函数分别等于零,最后用割线法求解这两个函数的数值解。根据能量最优要求,考虑初始漂移段,分析了一个周期内的最佳初始正切冲量点。仿真结果校验了本文提出的方法。     

基于星历拟合的短弧运动学定轨

当导航卫星在姿轨控和轨道恢复期间,传统的统计定轨理论难以实现精密定轨。首次提出 了基于10参数星历拟合的短弧运动学定轨方法,建立和推导了相应的理论模型和定轨解算方 法。其优点在于不仅能够反映卫星运动的物理学特征,提高了速度和轨道预报精度,而且不 需要累积数据,实现近实时快速计算,克服了动力学法定轨发散和单点定位无法获得速度信 息的不足。对COMPASS M-01导航卫星实测数据的处理表明,10分钟短弧运动学定轨的位置精 度优于10 m,速度精度为2 cm／s,预报5分钟轨道精度为15.02 m,满足了短弧跟踪条件下R DSS对轨道精度的要求,实现了卫星精密定轨。