摄动条件下椭圆轨道卫星相对运动研究

基于严格定义的相对轨道要素,考虑非球形引力、大气阻力和三体引力等摄动力的影响,用拟平均根数法添加相关摄动项,推导了椭圆轨道摄动条件下无奇点的卫星近距离相对运动模型。分析了考虑摄动力的影响时相对轨道要素的特性,并据此分析了各摄动力对卫星相对运动轨道预报精度的影响,比较了有无摄动的相对运动模型与精确解间的误差。算例验证了方法与结果的正确性和有效性。研究结果完善了相对轨道要素的基本理论,并将其适用范围拓展至摄动条件下的椭圆基准轨道卫星相对运动研究领域。     

高阶次月球重力场模型截断下的低轨环月卫星轨道受摄分析

研究低轨月球卫星在月球非球形摄动和地球第三体引力摄动作用下轨道高度变化问题.首先依据Kaula准则比较分析目前国际上公认的最精确的两个重力场模型GLGM-2和LP165P,提出了在一定阶次截断重力场模型的问题,然后通过仿真不同阶次重力场模型作用下轨道高度为50km的圆形极轨道环月卫星轨道特征的变化,验证了 50km以上高度卫星非球形摄动分析时可以将重力场模型截断至一定阶次的结论,并利用截断至70阶次的重力场模型仿真得到了50km和200km圆轨道卫星无控条件下正常运行的时间.最后在仿真地球引力对200km圆轨道卫星高度影响的基础E仿真其在月球非球形和地球引力摄动作用下轨道要素变化,对低轨环月卫星轨道保持控制提供依据.     

地球卫星动力学定轨中摄动模型的选取

地球卫星动力学定轨中需要依据卫星轨道高度考虑不同的摄动项,以提高定轨精度。针对这一需求,分析了不同轨道高度下卫星所受的地球非球形、日月引力、太阳光压和大气阻力4种摄动项对二体模型的校正量,数值仿真表明实验结果与摄动项的力学分析相吻合,另外,给出了地球卫星动力学定轨中不同轨道下卫星摄动项的选取原则。     

受摄椭圆轨道线性相对动力学方程及其运动有界性条件

由于卫星在轨运行要受到各种摄动(特别是J2项摄动)的影响,经典的TH方程并不适合描述椭圆轨道卫星编队的长期运行。基于轨道平根数,推导了考虑J2项一阶摄动的相对轨道动力学方程,给出其近似解,研究了相对运动的有界性条件,最后通过仿真试验验证了该方程。     

第三体引力摄动的近地轨道卫星相对运动方程

针对受第三体引力摄动的近地轨道卫星,推导了基于参考卫星轨道要素RSV的卫星运动方程、以及卫星的相对运动方程。两组方程均以显式给出,形式简洁且较为精确。基于这两组方程,本文还定性地分析了第三体摄动对卫星（相对）运动的影响。     

基于受摄轨道模型的小卫星轨道摄动分析研究

小卫星在实际运行中受到多种摄动力的作用,这会对其轨道造成不同程度的影响,因此在小卫星的轨道设计与控制中,摄动是必须考虑的重要因素。本文以500km高的小卫星太阳同步轨道为研究对象,运用轨道摄动的基本理论,估计了地球非球形引力、大气阻力、太阳光压及第三体引力的量级并进行比较;建立小卫星轨道摄动分析模型,并在此模型的基础上,利用计算机仿真技术,对小卫星轨道摄动问题展开仿真研究,验证了几种主要摄动力的量级估计的结果,分析比较了几种主要摄动力对小卫星运行轨道的影响程度及规律,本文结果对小卫星轨道设计与控制具有很好的参考价值。     

地球轨道卫星电推进变轨控制方法

针对地球同步轨道（GEO）卫星,采用电推进系统完成转移轨道变轨。采用基于Lyapunov函数的反馈控制方法确定时间最短变轨策略。首先在开普勒模型下研究变轨过程,然后在开普勒模型的基础上考虑地球J2项摄动和地球阴影,最后在全引力模型下研究变轨过程,即在开普勒模型的基础上考虑地球非球形引力摄动、日月第三体引力摄动、太阳光压摄动和地球阴影。仿真结果显示在变轨过程中摄动项不可忽略,除地球J2项摄动外还应该考虑日月第三体引力摄动和太阳光压摄动。对比上述三组仿真结果,发现考虑摄动后轨道转移时间的增加比燃料消耗的增加更为明显。数值仿真结果表明本文研究对未来的全电推进任务具有良好的通用性和应用参考价值。     

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。     

J2项摄动条件下线性化的编队卫星动力学方程

考虑J2项摄动力对参考卫星轨道的绝对影响和对伴随卫星轨道的相对影响,应用拉格朗日方法,在笛卡尔坐标系下,给出了一组考虑J2项摄动的线性化的编队卫星相对动力学方程。该方程考虑了J2项摄动力带来的相对运动平面内外的耦合和短周期项的影响,有效地提高了相对动力学模型的精度。仿真结果表明,该方程组可有效地描述J2项摄动条件下编队卫星的相对运动,其误差只有二体非线性模型的10%,利用其设计的水平圆编队半径的相对误差不超过1%,并且由于是线性化的微分方程描述,可方便地应用到编队卫星导航、制导与控制系统的设计中。     

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。     

Secular evolution of rotary motion of a charged satellite in a decaying orbit

An electrostatically charged Earth satellite whose orbit is decaying due to the Earths oblateness is considered. Secular perturbations of the orbit are taken into account: they are caused by the second zonal harmonic of the geopotential. These perturbations represent deviations of the longitude of the ascending node and perigee argument, the orbit form being invariable and the orbit inclination to the equatorial plane being constant. The attitude rotary motion of the satellite under the action of perturbing moments of the gravitational and Lorentz forces is studied. The magnetic field of the Earth is taken in a quadrupole approximation. The evolution of the satellites rotary motion is investigated on the basis of new differential equations in s-parameters specially constructed for this purpose. Using the method of averaging, basic regularities of the secular evolution of rotary motion of a screened satellite are revealed. It is found that the rotary motion of a charged satellite essentially depends on the quadrupole component of the geomagnetic potential.__________Translated from Kosmicheskie Issledovaniya, Vol. 43, No. 2, 2005, pp. 111–125.Original Russian Text Copyright © 2005 by Tikhonov.     

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。     

基于轨道摄动解的卫星编队飞行

用完全不同的方法推导出一种两颗卫星相对运动的表达式.首先,它描述的是一颗真实的卫星相对一颗在理想轨道上运动的虚拟卫星的运动,而这正是研究编队飞行所必须的;其次,这个表达式将真实卫星相对虚拟卫星的三维位置表示成虚拟卫星的Brouwer平根数及两卫星轨道根数之差的函数.据此便可以充分应用已有的关于轨道摄动的研究成果.作为一个基本模型,首先讨论了一颗真实卫星相对虚拟卫星形成椭圆型地面轨迹的飞行方式.基于轨道长期摄动的已有结果可以很容易地揭示这种飞行方式的长期变化,从而可以毫无困难地制定出轨道调整的策略.最后还研究了三颗卫星以同一条椭圆轨迹飞行的轨道设计和控制问题,该椭圆以虚拟卫星为中心.     

卫星编队飞行相对位置自适应协同控制

针对卫星编队飞行相对位置协同控制问题,基于编队卫星相对运动非线性动力学方程和一致性理论设计了两种自适应协同控制器。首先,在卫星质量不确定和星间信息交互存在通信时延的条件下,设计了一种全状态反馈自适应协同控制器,并证明了该控制策略对空间摄动力的鲁棒性。其次,进一步考虑速度信息不可测的条件下,采用滤波器设计了一种无速度反馈的自适应协同控制器。最后,以编队构型重构为例对两种自适应协同控制器进行了仿真校验。仿真结果表明：两种自适应协同控制器均可有效应用于卫星编队飞行相对位置的协同控制,能够保证编队卫星对各自期望轨迹跟踪的同时暂态保持编队构型的稳定,具有较高的控制精度。     

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。     

Translational–Rotational Motion of a Viscoelastic Sphere in Gravitational Field of an Attracting Center and a Satellite

We study the translational–rotational motion of a planet modeled by a viscoelastic sphere in the gravitational fields of an immovable attracting center and a satellite modeled as material points. The satellite and the planet move with respect to their common center of mass that, in turn, moves with respect to the attracting center. The exact system of equations of motion of the considered mechanical system is deduced from the D'Alembert–Lagrange variational principle. The method of separation of motions is applied to the obtained system of equations and an approximate system of ordinary differential equations is deduced which describes the translational–rotational motion of the planet and its satellite, taking into account the perturbations caused by elasticity and dissipation. An analysis of the deformed state of the viscoelastic planet under the action of gravitational forces and forces of inertia is carried out. It is demonstrated that in the steady-state motion, when energy dissipation vanishes, the planet's center of mass and the satellite move along circular orbits with respect to the attracting center, being located on a single line with it. The viscoelastic planet in its steady-state motion is immovable in the orbital frame of reference. It is demonstrated that this steady-state motion is unstable.     

基于T-H方程的卫星轨迹模型参考输出跟踪控制方法

当目标卫星沿椭圆轨道运行时,描述追踪星与目标星相对运动的线性化方程为T-H方程。将描述航天器相对运动的T-H方程变换为周期系统的状态空间形式,并给出卫星轨迹跟踪控制问题的数学描述。基于周期系统的参量Lyapunov方法和模型参考跟踪控制理论,提出了卫星轨迹跟踪控制器的设计方法。利用该方法设计了带有收敛速率保障的反馈镇定控制器和具有自由参数的前馈控制器。对追踪星相对目标星悬停任务进行了数值仿真,仿真结果表明提出的控制方案是有效的。