航天器近距离导引轨迹规划仿真系统设计

以航天器近距离导引轨迹规划仿真验证为目标,对基于Visual C+ +,Vega Prime和Matlab的联合仿真系统进行开发研究.首先,建立了数学模型.然后,利用Matlab对所建立的数学模型进行优化求解,得到追踪航天器近距离机动时的位置、速度等信息.并通过Multigen Creator软件建立卫星等对象的模型,使用Vega Prime进行视景仿真.之后,采用Visual C+ +进行系统集成,建立基于三者相结合的仿真验证系统.最后,以椭圆参考轨道下近距离交会的连续推力式燃料最优轨迹规划为例,验证了该联合仿真系统.     

密实织物伞形状和应力计算研究

建立了充满稳定状态下密实织物伞形状和应力计算的理论模型。将充满的伞看成柔软的壳体，用力学原理建立伞绳（伞衣上径向加强带）和伞衣幅中线的力平衡方程。伞绳和伞衣处理成非线性弹性构件。考虑伞衣中线上的子午向应力，得到了一个双轴应力模型。结合伞充满状态下几何大变形的几何关系式，得到一组含６个微分方程的非线性微分方程组。从伞顶孔开始，利用伞顶处的边界条件，离散积分至伞底，校对伞底处的另一边界条件，如不满足再从伞顶开始进行迭代，直至满足伞底边处的边界条件。由此编成进行非线性迭代数值求解程序ＣＳＬＡＰ。选用一具典型的平面圆形伞进行了验证，结果很好     

常值径向推力下的飞行器运动轨迹

研究了初始停泊轨道为椭圆时,空间飞行器在常值径向推力下运动的有界性和周期性.首先建立了飞行器运动的动力学方程,并通过能量积分和角动量积分进行了简化.然后将有界性的研究转化为一个一元三次不等式的求解,并在此基础上针对不同的初始真近点角分别进行了研究,得到了运动的边界和有界性条件.接下来利用椭圆积分研究了运动的周期性,分别研究了径向运动、极角转动以及整体运动的周期性.最后用数值算法得到了运动的周期轨道.     

卫星编队队形重构中的模型选择

推导了卫星编队进行燃料最优队形重构时,两组Lawden方程（时间域和真近点角域）下所建立目标函数的数学关系,指出在不需要解析解的情况下,动力学模型应选择时间域下的Lawden方程,目标函数应建立在时间域。首先,分别针对脉冲推力和持续推力机动,研究了两组方程下目标函数的差异。然后,以持续推力式重构方法为例,构造了燃料最优目标函数,基于最大值原理,建立了队形重构的两点边值问题。然后,采用边界迭代法求解初始协态变量,确定最优的控制加速度。最后通过数学仿真验证了模型分析的正确性及算法的有效性。
     

航天器近距离视觉制导自主机动轨道优化

研究具有视觉导引路径约束的航天器近距离机动轨道优化数值计算问题。首先,给出了带路径约束的椭圆参考轨道航天器近距离轨道机动最优化问题数学模型。利用高斯伪谱法将上述最优化问题转化为非线性规划问题,优化参数为配点上的状态量和控制量。然后,利用MATLAB的SNOPT软件包对非线性规划问题进行求解。最后通过数值仿真验证了方法的有效性和鲁棒性。     

有限推力下的航天器绕飞轨道保持与控制

基于线性动力学模型,研究了有限推力下的航天器绕飞轨道保持与控制问题.首先,针对绕飞轨道控制问题推导了精确的动力学模型,给出了经过线性化的动力学方程.然后,在线性二次性最优控制理论的基础上,设计了一种针对绕飞轨道的反馈控制系统,同时为了实现有限推力,设计了一个有界的非线性环节对控制加速度进行限制.数值仿真结果证明了所设计的控制系统渐进稳定、收敛快速,并且具有良好的控制精度.最后,通过计算不同相对位置误差时轨道控制系统需用的发动机工作时间,估算了轨道维持与轨道控制的燃料消耗量.      

基于融合状态递推的非线性联邦滤波器故障检测算法

传统的联邦滤波器故障检测算法一般是针对线性系统模型提出的,现在非线性条件下对算法进行推广,推导了针对非线性模型的状态χ~2故障检测算法,并对其进行改进,提出一种基于融合状态递推的新型联邦滤波故障检测算法。该算法利用联邦滤波器的全局最优融合状态通过状态递推器获得融合状态递推,再由各子系统通过非线性滤波得到的状态估计与融合状态递推之间的残差构造检验量,进行故障检测。由于全局最优融合状态的精度要高于局部滤波值,故相比于传统联邦故障检测法,该算法的检测灵敏度更高;最后设计了一组仿真实验,验证了该检测算法的有效性。     

基于简化联邦CKF的INS/GNSS组合导航算法

针对高精度INS/GNSS组合导航子系统模型为部分非线性的问题,提出了一种新的简化联邦CKF滤波算法。该算法将容积卡尔曼滤波(Cubature Kalman Filter,CKF)的计算过程融入到联邦滤波结构框架中,并针对子系统模型存在部分非线性问题,对算法的时间更新过程进行了简化,简化后直接用状态转移矩阵计算一步预测和预测协方差矩阵,避免了采用求容积点近似计算的复杂过程及协方差矩阵分解。最后,建立了INS/GNSS紧组合导航模型,对提出的算法进行了仿真验证,将仿真结果与联邦UKF算法、联邦CKF算法进行对比。仿真结果表明,相比于联邦UKF和CKF算法,所提算法在保证滤波精度的情况下,有效减小了计算量,改善了组合导航系统的性能。     

利用库仑力实现悬停轨道的新方法研究

研究了利用库仑力控制实现近距离悬停轨道的问题。针对常规推力器对悬停任务可能产生的羽流污染,提出了一种使用航天器间库仑力实现悬停轨道的新方法,并研究了使用该方法实现悬停轨道的开环与闭环控制问题。基于所建立的库仑力悬停轨道动力学模型,给出了目标为一般椭圆轨道时的开环控制律。基于线性化的悬停轨道动力学模型,给出了目标轨道为圆轨道时的闭环控制律,并进行了数值仿真,结果表明所建立的动力学模型及所设计的控制律是有效的和可行的。文章提出的方法也可以用于其他类型的航天器近距离相对运动控制问题。     

卫星编队的多脉冲队形重构方法

主要研究了椭圆轨道燃料消耗最优的多脉冲编队队形重构问题.首先,基于Lawden方程的解析解,推导了多脉冲机动的数学模型.然后构造燃料最优目标函数,将总脉冲写成关于各脉冲作用时间和前n-2次脉冲大小的函数.然后利用遗传算法对问题进行求解,将结果转换到时间域,确定最终各脉冲的大小、方向和作用时间.最后进行了数学仿真,验证了算法的正确性.