基于交会模式的月球大椭圆轨道编队飞行控制

两颗微卫星进入环月大椭圆轨道后,在地面测控支持下,通过执行若干次轨道机动,最终实现从相距上千或上万km至相距1～10 km范围变化的环月轨道编队飞行。针对月球大椭圆轨道,基于多脉冲交会控制模式,设计了交会点满足编队飞行状态的轨道控制策略,采用线性制导方法迭代计算精确轨道控制参数;设计了顺序优化的5脉冲控制策略,对轨道平面、拱线、形状和相位等轨道全要素进行控制,通过远距离接近、中距离调整和近距离捕获的渐进式分段控制,在月球大椭圆轨道差异较大条件下,相对运动轨迹渐进稳定,最终实现近距离编队。     

基于InSAR任务性能要求的编队轨道构型设计

为使卫星在飞过特定经纬度地面上空时对应特定的空间基线形式,系统的其他参数常受制于诸多限制,只有编队构型可以进行更为自由的设计。以双星编队为例,研究了基于轨道摄动理论的编队飞行模型;分析了编队飞行InSAR卫星的轨道设计约束条件与设计目标;提出了四种轨道构型方案并对其测高性能进行比较;并分析了地球扁率摄动因素对编队构型及InSAR测高性能的影响。     

月球卫星轨道设计优化

利用带谐项J₂和J₃对月球卫星轨道进行了优化设计.首先分析了月球卫星轨道摄动因素对轨道的影响,其次推导了对应于J₂和J₃项的冻结轨道计算公式,并通过对仅包含月球引力场模型的运动微分方程,直接积分计算轨道的变化进行了验证.最后,通过合理选择初始轨道的偏心率e_o和近月点幅角ω_o,对月球卫星极轨道进行了优化设计,给出了设计公式并进行了仿真.结果表明,这种优化设计方法是很有效的.     

探测器垂直击中月球的轨道设计

本文讨论了探测器从低高度圆形地球停泊轨道入轨点出发、在停泊轨道上滑行一段后、沿速度方向加速进入登月轨道、自由飞行击中月球的轨道设计．在着月的速度、角度、时间、区域、停泊轨道和能量限制等约束下,首先借助二体、双二体理论,不仅提供了轨道初值的近似值,而且说明了轨道的特性．然后利用广义限制性四体动力学模型,进行3点边值搜索,得到高精度的探测器轨道．     

中国月球探测任务轨道确定技术及发展综述

月球探测器的轨道确定是完成月球探测任务的基础,在我国月球探测任务的引领下,在我国深空测控体系发展的同时,轨道确定技术也得到了快速的进步。从时空参考框架和动力学模型两个方面介绍了我国月球探测任务轨道确定技术的发展过程,基于时空参考框架的优化及动力学模型的改进,我国月球探测器的轨道确定能力及精度也不断提升,这对于当前及后续的月球探测任务都有很好的借鉴意义。     

近圆参考轨道卫星编队的安全性

针对近圆参考轨道卫星,利用相对轨道要素对编队构形进行了统一描述,提出了编队卫星在垂直于轨道平面方向相对运动最小距离的计算公式,分析了J2摄动对卫星编队安全性的影响。仿真结果表明环绕星在轨道平面内和垂直于轨道平面内的相位差对编队安全性的影响较大,给出的提高编队卫星安全性的措施可为卫星编队的实际工程应用提供参考。     

月球垂直软着陆轨道初步设计

采用圆锥曲线拼接法,建立了月球垂直着陆的数学模型;推导了地月转移轨道和一些重要参数的初步设计和计算方法。通过仿真,给出了理想情况下和考虑推力大小时月球垂直着陆轨道运动特性。对运动特性的分析结果可为轨道初步设计提供一定的参考。     

近圆轨道卫星编队捕获技术研究

基于近圆参考轨道的假设,研究处于同一入轨点多颗卫星的编队捕获方法.首先由高斯型拉格朗日轨道摄动运动方程得到轨道坐标系中控制冲量与轨道根数偏差的关系,基于近圆轨道的条件简化并带入相对运动方程,得到控制冲量与相对运动的关系表达式;通过深入分析各个方向(径向、沿迹向与轨道面法向)的控制冲量对相对运动的影响,给出了分别用径向与轨道面法向控制冲量组合和沿迹向与轨道面法向控制冲量组合实现编队捕获的两种控制策略;最后给出了一个空间圆编队捕获实例,并从燃料消耗、施加冲量次数及捕获时间等角度对比研究了两种控制策略的特点.仿真结果表明,这两种控制策略简单、实用,能够较好地解决近圆轨道卫星编队的捕获问题.     

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。     

太阳系天体引力对空间引力波探测日心编队构型的影响分析

针对太极空间引力波探测任务,建立了太阳系天体引力摄动对日心编队构型影响的数学模型,利用仿真手段分析了太阳系中行星和月球、矮行星和小行星引力摄动对空间引力波探测日心编队构型的影响,提出了一种综合考虑小行星到卫星轨道距离和星等的二重筛选方法,能够快速估计小行星相对加速度的上界.分析了日心编队构型卫星初始相位角变化对太阳系天体引力摄动的影响.仿真结果表明,在行星和月球中,地球、金星和木星引力对空间引力波探测编队构型影响较大,行星和月球的引力叠加影响达到-2.78×10^-11km·^-2.矮行星的引力叠加影响不大于1.25×10^-17km·^-2,小行星引力的叠加影响不大于1.1180×10^-15km·^-2.另外,编队卫星受到的太阳系天体引力摄动对编队构型卫星初始相位角的变化不敏感.     

航天器分布式有限时间编队方法

以二阶积分环节作为单体航天器动力学模型,在固定通信拓扑的基础上,假设每个航天器仅获取相邻航天器的速度位置信息,设计了分布式有限时间跟踪控制算法,并证明了算法的有效性。在该算法的基础上,采用了虚拟结构和阶级控制方法,使第一阶级航天器接受虚拟领队形成的虚拟结构信息,次级航天器接受上一级航天器信息,给出了有限时间编队方法,并通过数值仿真验证了该编队算法。     

在月球背面进行低频射电天文观测的关键技术研究

月球具有足够大的尺寸,能够有效地遮挡来自地球的低频电磁波干扰,因此月球背面是进行低频射电天文观测的最佳场所。本文论述了利用低频射电频谱仪在月球背面进行空间低频射电天文观测的意义,给出了低频射电频谱仪工作原理、科学探测目标和系统组成。研究了低频射电频谱仪的设计,并采用低频射电频谱仪对北京中关村地区空中低频电磁波辐射频谱进行了试验探测,结果表明:低频射电频谱仪能够清晰地探测到0.1~40 MHz频带内的广播电台及授时台等发射的低频电磁波信号。     

月球背面探测任务多目标协同控制模式设计

月球背面探测需要中继卫星提供中继通信支持,实现地面测控网对月面探测器的控制。为解决月球背面探测任务过程中和环月探测卫星等多个航天器目标的相互控制及其与地面测控网之间的复杂协同控制问题,提出了协同控制关联目标描述方法,明确了控制目标和上行路由的概念和确定原则、上行路由测控网资源分配原则,设计了基于时间窗口的中继测控资源分配方法、多目标协同控制的标称计划模式、遥操作规划模式和上行控制模式。经过"嫦娥4号"天地大回路无线联试和"鹊桥"中继卫星在轨飞行证明,设计是合理可行的。     

探月飞船预测-校正再入制导律设计

针对以第二宇宙速度返回的探月飞船再入制导律设计问题,采用一种数值预测一校正的预测制导法,分析了飞船配平攻角的飞行特性,建立了再入三自由度运动方程。进而详细介绍了预测一校正及其纵向、横向制导律的基本原理。通过标准初始状态、有误差初始状态两种条件下的仿真分析,表明这种预测一校正制导律在满足各种约束的条件下,不仅能够达到较高的精度,而且对初始误差具有良好的鲁棒性,能够应付再入时各种不确定性因素的影响。     

编队卫星防碰撞规避路径规划方法与控制研究

针对编队卫星在构型重构和构型失效重组时发生碰撞可能性最大的两种机动工况,采用数学规划的方法对其进行防碰撞规避准则、规避策略和控制方面的研究;并通过系统可控性证明出无径向推力相对于全向推力,也可以达到目标相位点只是燃料消耗得多。对编队构型失效重组工况中备份星机动前停泊位置,进入编队位置选择和启动时刻选择以及故障星离开编队后,目标轨道确定等问题通过数学仿真的形式予以解答。仿真结果表明,该研究方法真实可信、简便有效。     

环月轨道交会的载人登月任务轨道与窗口规划

针对环月轨道(Low Lunar Orbit,LLO)共面交会支持的"人货分离"载人登月任务,提出了一种任务窗口与轨道一体化规划方法。分析了基于LLO共面交会的"人货分离"载人登月任务的基本流程和工程约束;针对任务各阶段窗口与轨道求解问题,提出了以动力下降时刻为迭代初值的窗口规划策略,并建立了高精度模型下的环月轨道、双二体模型下的人员和货物运输轨道规划模型。以载人月球探测中国科学家命名的环形山为假想背景,给出仿真实例,仿真结果验证了文章所提方法的正确性,为探月工程任务提供了一种有效的窗口与轨道设计工具。     

基于内模原理的椭圆轨道编队最优维持控制

 基于内模原理,针对椭圆轨道编队维持控制过程中存在的周期扰动问题,结合动力学方程的时变周期系数特性,设计具有干扰抑制功能的线性周期时变最优二次调节器。干扰内模的加入,使得系统响应在稳态时具有良好的控制精度,同时基于最优性原理的设计使得系统的瞬态响应过程满足某种最优性能指标要求。仿真结果表明,在椭圆轨道的编队维持控制器中引入部分干扰内模可大幅度提高维持精度。     

绳系微小卫星的旋转编队飞行

针对三星编队飞行问题,提出一种绳系控制方法,在自旋刚体卫星的平衡分析的基础上,建立了Thomson和Likins Pringle平衡构形的绳系三星编队模型,通过对编队系统的稳定性分析得到了两种构形下的稳定条件,并给出了三种控制策略用以解决Likins-Pringle构形不能满足平衡条件的问题。最后经过仿真验证了理论分析的正确性,并对三种控制策略进行了检验,结果表明Thomson构形无须辅助手段,在满足特定条件下可以稳定运行,Likins-Pringle构形采用弹簧系统和喷气辅助绳系控制时满足特定条件也可以稳定运行。