基于J2项摄动的MMS任务编队优化设计

Magnetospheric MultiScale(MMS)任务利用椭圆轨道远地点附近的正四面体航天器编队,协同完成对地球磁层结构和动力学特性的测量和分析.采用基于轨道根数的相对运动模型,分析了主航天器轨道根数对J2项影响下四面体平均性能指标--质量因子均值和平均边长均值的影响规律,并由此提出一种编队轨道优化设计方案,将其应用于第1阶段MMS任务的四面体构形设计中.该方案的设计变量包括主航天器的6个轨道根数和3个从航天器的15个相对轨道根数(除相对半长轴外),目标函数既考虑到四面体编队的平均性能,又兼顾了3个从航天器相对运动的受摄影响.仿真算例显示,在不施加主动控制的条件下,利用该方案设计远地点附近平均性能保持最优的四面体编队是可行的.     

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。     

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。     

面向空间目标相对轨道确定的编队优化方法

针对提高空间目标相对轨道确定精度的问题，研究了在主航天器轨道运动受限时，通过设计和优化辅航天器相对轨道要素的航天器编队优化方法。首先，介绍了基于扩展卡尔曼滤波的双视线测量相对轨道确定方法；之后，通过研究双视线测量下的空间目标定位误差变化规律，得到了减小定位误差的角度条件；然后，通过分析该角度条件和辅航天器相对轨道要素的关系，设计并采用遗传算法优化了辅航天器相对轨道；最后，数学仿真结果表明，设计的编队可保证目标相对位置估计误差收敛，优化后的编队可使目标相对位置估计误差减小至0.3 km且不超过1.2 km。     

J2摄动作用下近地轨道卫星编队构形长期演化机理分析

研究近地轨道卫星编队构形在引力摄动作用下的长期演化机理。把用转移矩阵法得出的相对运动分析解表达成一般轨道根数形式，为研究摄动影响而进一步表达成无奇点轨道根数形式；根据各轨道根数的J2摄动解分别研究编队构形在轨道坐标系三个方向上的振幅与相位的长期变化情况，揭示了构形引力摄动的长期演化机理；给出编队构形的摄动表达式，并以仿真实例验证其可信性；最后给出构形长期引力摄动的相关结论，并对编队构形设计提出建议，这将为研究编队构形的规划技术带来方便。     

近圆轨道航天器伴随飞行控制方法研究

对近圆轨道上航天器在轨长期伴随飞行的轨道控制方法进行了研究。比较了采用C\|W方 程（Clohess\|Wiltsire）解析解和轨道根数两种方法描述相对运动的相同点和差异。分析 影响航天器长期伴随飞行的各种因素。在总结相对运动规律的情况下设计轨道修正条件,提 出两种伴随飞行的轨道控制方法,并分别对两种方法的控制效果进行理论分析。数学仿真结 果表明两种控制方法都能实现航天器长期伴随飞行,且第二种方法能够较大程度上节省燃料 消耗。     

考虑地球扁率的大椭圆轨道编队飞行优化设计

大椭圆轨道上卫星编队的相对运动特性及其所受摄动力的影响给编队轨道设计者提出了新的挑战.本文总结了大椭圆轨道卫星编队的五种基本形式,利用数值积分法计算了主星轨道倾角、近地点角和平近点角初值对地球扁率作用下基本编队形式相对位置极值点漂移量的影响规律.结合零J2项摄动条件,提出基于主星平近点角初值的J2项编队相对轨道优化设计方法,进而获得瞬时根数描述的编队初始条件.仿真算例表明：优化设计结果可以明显降低大椭圆轨道编队卫星的相对漂移量,与平根数描述的编队初始条件的设计结果相比,相对距离极大值点的漂移量降低约81.8681%,验证了基于主星平近点角初值的大椭圆轨道编队优化设计方法的可行性.     

基于相对轨道根数的航天器编队控制三冲量方法

在采用相对轨道根数描述航天器编队构形的基础上,把航天器平面内编队控制问题转化为航天器交会问题,根据编队构形的几何参数得到解决问题的三冲量控制方法,该方法具有燃料消耗少且只需沿航迹向安装推力器,便于工程应用的优点.最后对推力器的推力大小偏差、方向偏差对编队构形的尺寸以及相位控制精度的影响进行了理论分析.     

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。     

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。     

Apogee manoeuvre with a restartable liquid bipropellant motor

Unified Propulsion Systems present perceptible advantages for geostationary spacecrafts design: mass savings, as the ergols tanks are the same for the apogee motor and for the Attitude and Orbit Control System, higher performance, as specific impulse of bi-ergols motors is higher than the one of solid propellant motors and higher operational flexibility as the fuel amount can be adapted to the real flight conditions and as biliquid motors are restartable. On the other hand, the use of these propulsion systems for geostationary spacecrafts sets quite new mission analysis problems: the “predictability” of each delivered Delta-V is rather coarse (the corresponding uncertainty is about 4% for the existing motors). Also, only midlevel thrusters (about 400N) are available and so the finite burn losses associated with long burns arcs have to be minimized. This paper surveys the problems resulting from these new operational constraints and deals successively with the following items: optimal splitting up of the apogee manoeuvre, taking into account the possible dispersions on each Delta-V and the on-station longitude acquisition; minimization of the finite burn losses; adaptation of the apogee manoeuvre to the initial orbit parameters corresponding to the first North-South station-keeping cycle. The operation procedures derived from this survey will be used for the future launch of the ARABSAT spacecraft and for the following spacecrafts of the SPACEBUS family.     

远程导引变轨方案修正算法

为在实际摄动条件下由远程导引变轨方案初始设计结果实现追踪航天器与目标航天器的交会,提出了一种修正变轨方案。将初始多脉冲式变轨方案转换为有限推力式并作修正,取远程导引结束时刻追踪与目标航天器间的相对轨道要素为目标函数,采用J2,J3,J4解析轨道预报器对目标函数计算需要的轨道进行预报,以历次变轨开始时刻、结束时刻和推力方向为优化变量,用边界约束有限存储BFGS(L-BFGS-B)优化算法获得的最优解为修正后的变轨方案,可消除摄动模型误差。算例结果表明,经转换和修正所得有限推力式变轨方案能在实际摄动条件下实现追踪航天器与目标航天器的交会。     

基于逼近理想解排序法的航天器初始轨道选优

针对航天器入轨段，如何从多组初始轨道中选择一组最优或最符合客观实际轨道根数问题，进行了深入地理论分析，提出了基于逼近理想解排序法的航天器初始轨道根数选优算法。描述了逼近理想解排序法的设计思想以及求解的六个基本步骤；针对航天器初始轨道的设计特点，巧妙地利用标称轨道作为理想解，偏差轨道作为负理想解，成功地应用逼近理想解排序法建立了初始轨道根数选优的决策数学模型，并以一颗典型的太阳同步轨道卫星为例，验证了其数学模型和选优算法的合理性和正确性。     

基于无奇点根数的空间相对导航插值滤波算法

为了提高椭圆轨道航天器的相对导航精度,将基于Stirling公式的多项式插值滤波方法（DDF2）引入导航算法,降低了传统的卡尔曼滤波方法中泰勒级数展开线性化     

Lorentz-force-perturbed orbits with application to J2-invariant formation

The Lorentz force acting on an electrostatically charged spacecraft in the Earth's magnetic field provides a new propellantless means for controlling a spacecraft's orbit. Assuming that the Lorentz force is much smaller than the gravitational force, the perturbation of a charged spacecraft's orbit by the Lorentz force in the Earth's magnetic field, which is simplified as a titled rotating dipole, is studied in this article. Our research starts with the derivation of the equations of motion in geocentric equatorial inertial Cartesian coordinates using Lagrange mechanics, and then derives the Gauss variational equations involving Lorentz-force perturbation using a set of nodal inertial coordinates as an intermediate step. Subsequently, the approximate averaged changes in classical orbital elements, including single-orbit-averaged and one-day-averaged changes, are obtained by employing orbital averaging. We have found that the approximate analytic one-day-averaged changes in semi-major axis, eccentricity, and inclination are nearly zero, and those in the other three angular orbital elements are affected by J₂ and Lorentz-force perturbations. This characteristic is applied to model bounded relative orbital motion in the presence of the Lorentz force, which is termed Lorentz-augmented J₂-invariant formation. The necessary condition for J₂-invariant formation is derived when the chief spacecraft's reference orbit is either circular or elliptical. It is shown that J₂-invariant formation is easier to implement if the deputy spacecraft is capable of establishing electric charge. All conclusions drawn from the approximate analytic solutions are verified by numerical simulation.     

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。