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。     

椭圆轨道相对动力学状态转移矩阵

针对已有研究的不足,给出了更加便于理论分析和工程应用,并具有普遍适用性的状态转移矩阵的一种新形式。基于Lawden方程推导了以三维空间中位置-速度表示的状态转移矩阵元素的具体表达式,并将其由角域变换到时域,得到了表示真实位置速度的状态转移矩阵,通过初等变换可以从该矩阵得到任意需要的形式。仿真结果表明了状态转移矩阵的有效性,可将其用于任意偏心率椭圆轨道的三维轨道交会、轨道修正、编队队形设计及控制问题。     

蜻蜓爬升过程飞行特征实验研究

昆虫真实飞行过程中的飞行特征是仿生流体力学机理研究的基础和关键。本文针对蜻蜓(黄蜻)大、小爬升角2种飞行状态的运动规律和动力学特性展开研究,根据蜻蜓的趋光特性诱导其进行爬升飞行。采用2台光轴相互垂直的高速摄像机进行拍摄,通过特征点匹配和三维重构方法准确地捕捉了2种爬升飞行过程中蜻蜓身体和翅膀的运动参数,并进行动力学特性对比分析。实验结果表明:蜻蜓在进行大爬升角爬升时需要的上升力大于向前的推力,最大拍动幅度比小爬升角爬升时约大40%;扑翼频率比小爬升角爬升时约大3.3 Hz,前后翅相位差相对于小爬升角爬升时减小20°以上;另外,大爬升角爬升过程中前翅前倾角度更大,这样能够使蜻蜓身体保持更大的俯仰角,翅膀能够获得更大的上升力。      

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。     

一种晨昏轨道卫星地球反照系数估计方法

针对地球反照对太阳同步轨道卫星太阳电池阵输出电流的影响,首先比较不同降交点地方时卫星的太阳电池阵输出电流,分析其变化规律,然后选定晨昏轨道卫星作为研究对象,建立太阳电池阵输出电流模型与地球反照系数估计模型,利用最小二乘法估计电流参数与地球反照系数,最后结合不同季节、不同轨道高度卫星的遥测数据进行在轨验证。结果表明,对于轨道高度在1200km以下的晨昏轨道卫星,地球反照系数在0.05以上;地球反照系数随轨道高度增加呈指数规律衰减,衰减系数约为0.002。     

利用连续推力的人工太阳同步轨道设计方法

针对人工太阳同步轨道的设计方法进行研究,通过施加法向连续推力调整升交点赤经（RAAN）变化率。首次推导了升交点赤经在变方向推力作用下的周期摄动平均值的精确计算公式,解决了已有近似方法对相关轨道参数的取值范围存在限制的问题,并给出了对应的轨道倾角周期摄动平均值计算公式。在分析J2项摄动对升交点赤经影响的基础上,给出了所需的法向连续推力幅值和一个轨道周期内对应的速度增量的计算方法。通过数值仿真,校验了计算公式的正确性,分析了实现人工太阳同步轨道的连续法向推力对轨道倾角的影响,给出了连续推力幅值随轨道参数的变化规律,并且提出了未来工程任务的应用建议。     

加热表面水珠运动特性研究

为研究加热表面的水珠运动特性,提出了加热表面水珠的几何参数、受力及其运动过程的计算方法。试验获得了水珠的表面阻滞力、黏性阻力和气动力计算关系式中的相关系数,给出了不同风速条件下水珠运动的临界直径,进行了加热表面水珠运动试验并对其过程进行了数值计算。试验结果表明：水珠的无量纲表面阻滞力保持恒定,运动时受到的黏性阻力与其运动速度和宽度有关,在外流场作用下所受的气动力可采用修正圆球阻力公式进行计算。将试验获得的相关系数加入水珠运动模型中,对加热表面水珠运动过程进行数值计算,计算结果与试验结果吻合,说明本文所述方法能够准确地模拟加热表面水珠大小和位置随时间的变化。     

Orbit determination by genetic algorithm and application to GEO observation

This paper demonstrates an initial orbit determination method that solves the problem by a genetic algorithm using two well-known solutions for the Lambert’s problem: universal variable method and Battin method. This paper also suggests an intuitive error evaluation method in terms of rotational angle and orbit shape by separating orbit elements into two groups. As reference orbit, mean orbit elements (original two-lines elements) and osculating orbit elements considering the J2 effect are adopted and compared. Our proposed orbit determination method has been tested with actual optical observations of a geosynchronous spacecraft. It should be noted that this demonstration of the orbit determination is limited to one test case. This observation was conducted during approximately 70 min on 2013/05/15 UT. Our method was compared with the orbit elements propagated by SGP4 using the TLE of the spacecraft. The result indicates that our proposed method had a slightly better performance on estimating orbit shape than Gauss’s methods and Escobal’s method by 120 km. In addition, the result of the rotational angle is closer to the osculating orbit elements than the mean orbit elements by 0.02°, which supports that the estimated orbit is valid.     

The classical Laplace plane as a stable disposal orbit for geostationary satellites

The classical Laplace plane is a frozen orbit, or equilibrium solution for the averaged dynamics arising from Earth oblateness and lunisolar gravitational perturbations. The pole of the orbital plane of uncontrolled GEO satellites regress around the pole of the Laplace plane at nearly constant inclination and rate. In accordance with Friesen et al. (1993), we show how this stable plane can be used as a robust long-term disposal orbit. The current graveyard regions for end-of-life retirement of GEO payloads, which is several hundred kilometers above GEO depending on the spacecraft characteristics, cannot contain the newly discovered high area-to-mass ratio debris population. Such objects are highly susceptible to the effects of solar radiation pressure exhibiting dramatic variations in eccentricity and inclination over short periods of time. The Laplace plane graveyard, on the contrary, would trap this debris and would not allow these objects to rain down through GEO. Since placing a satellite in this inclined orbit can be expensive, we discuss some alternative disposal schemes that have acceptable cost-to-benefit ratios.     

基于螺旋理论的航天器姿轨耦合分析

针对航天器运动姿轨耦合性问题,对基于螺旋理论得到的航天器运动模型,定性地分析了姿轨耦合特性。采用参数分析法,从模型所包含的耦合项出发,逐次改变各个参数,进而推导出对应的耦合表达式。为了检验耦合性对控制效果的影响,设计了PD 控制律并进行数值仿真。理论分析和仿真结果进一步证明,基于螺旋理论的航天器姿轨模型,其姿态和轨道运动之间是相互影响的,从控制角度而言,姿态运动对轨道运动影响相对更为严重,容易出现了大的振荡,而轨道运动对姿态运动的影响基本可以忽略,为工程实践提供参考。