异构多星电磁编队静态构型设计与保持控制

针对异构多星电磁编队的空间静态构型设计,提出采用精确电磁力模型进行非线性修正的方法,解决了传统方法中由远场电磁力模型造成的构型求解误差问题。考虑编队静态构型设计存在待优化参数较多的问题,基于轨道相对运动方程与电磁力内力特性,可以推导一组关于编队各星质量与空间分布的静态构型必要条件,提出了一种参数降维的四面体构型设计方法,并基于所建精确电磁力模型,对静态构型解进行了非线性修正。针对编队闭环控制问题,设计了包含摄动前馈的滑模控制器,并使用精确电磁力模型修正磁矩,提高了磁矩分配的准确性。仿真结果表明,设计的四面体构型能够满足力和力矩平衡方程,基于精确电磁力模型的修正方法有效提升了构型设计与控制精度。

异构多星编队的脉冲构型保持控制方法

近地轨道的双星编队通常设计具有自稳定性的编队构型参数初值,通过保持编队构型参数形成长期稳定的相对周期运动。针对编队中卫星数量增多产生的相对运动耦合问题,提出了基于Hill坐标和三角函数公式的多星相对运动分析方法。基于SAR载荷测量基线定义,结合多星编队构型参数的相对运动特性,提出了编队构型参数的设计方法,能够实现多星编队的最大有效基线组合。通过分析J_2项摄动和大气阻力摄动的长期影响,研究了异构多星编队的相对运动衍化规律,提出了主从形式的脉冲偏置控制,能够有效保持针对异构多星编队设计的编队构型。通过面质比异构的四星编队控制仿真,验证了脉冲偏置控制形式下异构多星编队构型保持控制方法的有效性。

太阳同步回归轨道的轨道面外运动及在轨数据分析

针对近地太阳同步回归轨道的轨道面外运动,基于在轨遥测数据分析了轨道倾角和降交点地方时的运动变化规律。日月三体摄动对轨道倾角产生了长周期和短周期的运动,基于数据驱动方法进行了不同周期运动的辨识与分解,并与经典的解析解进行了比对。解析解反映的倾角半月周期运动与在轨数据基本一致,可以作为倾角半月周期运动的预报依据。基于轨道面外运动特征,分析了自主轨迹保持任务中虚拟编队构形参数与轨道面外参数的相关性。在精确回归轨道保持时充分考虑了轨道面外运动的特征,降低了自主轨道面外控制的频次。研究结果可以作为轨道面外运动轨迹优化的基础。

巨型星座的空间安全性与自主防碰撞方法

从巨型星座轨道运动的力学特性出发,分析了星座空间安全性及自主防碰撞方法。针对碰撞发生的轨道相对运动特征,基于球面三角学构造了碰撞的轨道参数表征形式,分析了星座内部和星座外部的碰撞风险。针对异轨空间目标相对速度大、交会时间短的特征,提出了基于多轨交会航过观测的碰撞风险监视和自主防碰撞规避。以Cosmos-2251卫星和Iridium-33卫星的碰撞为例,分析了碰撞风险目标的相对运动特征,仿真分析了多轨交会航过目标监视和自主碰撞规避的可行性。

陆探一号卫星严格回归轨道管道导航在轨应用与验证

严格回归轨道的设计基于高阶次的地球非球形引力场模型,属于太阳同步回归、冻结轨道,回归周期始末的地固系空间轨迹高度重合.卫星在轨的自主管道导航以地面设计的严格回归轨道作为参考轨道,卫星与参考轨道形成一个虚拟编队.严格回归轨道的设计未考虑大气阻力,卫星在轨由于大气阻力导致的轨道衰减可由自主定轨与参考轨道的偏差进行估算.为了实现参考轨道的重复使用,严格回归轨道的设计也未考虑历元相关的日月三体引力等摄动影响,轨道倾角的长期运动和周期运动规律需要结合在轨数据进行辨识.本文应用陆探一号的在轨遥测数据,对上述轨道运动特性进行了分析.

陆地探测一号卫星严格回归轨道控制实践

陆地探测一号卫星搭载了L波段多极化SAR进行对地观测,为保证高精度、高频次的地面时空重访,卫星在轨进行了严格回归轨道控制。针对双星分批部署的任务约束问题,基于严格回归轨道特性,分析了发射窗口差异对轨控的影响,初期组网捕获采用了摄动补偿控制策略,能够有效减少燃料消耗。针对严格回归轨道的长期面内外控制在轨实践情况进行了分析研究,在轨飞行结果表明,卫星真实轨迹维持在参考轨迹附近百米级管径内,满足了预期的管径控制要求。

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。

基于轨道拟平根的合作目标机动跟踪UKF相对导航方法

为了解决航天器编队保持或构型重构等轨道机动过程中的导航连续性问题,提出了一种基于轨道拟平根数的UKF相对导航方法。充分利用合作目标相对位置、速度和机动加速度等测量信息,通过高斯摄动方程构造状态变量的状态转移方程并推导高维观测方程,使其能够有效跟踪轨道机动造成的影响。考虑到上述方程的非线性,采用UKF构造滤波算法。该方法克服了传统基于Hill方程或约化相对轨道拟平根的相对导航方法的不足,能够跟踪轨道机动对相对运动产生的影响,连续给出控制策略所需相对导航结果。

连续小推力条件下星座轨道机动方法研究

基于连续小推力条件下星座轨道机动的动力学特性分析,研究了其入轨的布局置入和离轨机动方法。地球轨道上的大型星座数量巨大,传统的轨迹优化方法较难应用。针对多星入轨的星座布局置入任务,求解了分时序抬轨的相位调整问题,并在轨道抬升过程中,利用轨道倾角偏置补偿升交点赤经漂移。针对星座中卫星的离轨任务,设计了半长轴和偏心率的联合调整方法。在保证卫星快速离轨的同时,能够有效减少燃料的消耗。考虑到连续小推力机动的弧段效应,控制策略需要围绕控制效应的曲线积分进行优化。

严格回归轨道的管道导航方法研究

分析了作为参考轨道的严格回归轨道与卫星在轨运行状态的相对运动关系,提出近地遥感卫星的管道导航方法。由于参考轨道的设计只考虑高精度的地球非球形摄动,与在轨卫星的动力学环境存在差别,这导致两者之间存在切航向漂移。基于高精度的轨道动力学模型和位置确定方法,设计了卫星与参考轨道采样点的沿航向对齐算法,从而获取了卫星相对参考轨道采样点的相位时间偏差和卫星在参考轨道编队坐标系切航向平面内的相对运动轨迹,进而引入椭圆的"最小二乘适配法"获取相对运动轨迹的特征量。所研究的管道导航方法可应用于基于GNSS测量数据的卫星自主轨迹保持。

基于约化相对轨道拟平根数的长期稳定高精度卫星编队导航技术

针对基于星间相对测量的相对导航算法中由测量方程将相对轨道拟平根数转化为相对位置过程导致的模型非线性,提出一种基于约化相对轨道拟平根数的卫星编队导航方法.该方法通过编队卫星之间一段时间的切向漂移估计半长轴偏差,合理处理半长轴偏差对双星相对动力学的影响,克服了模型线性化造成的误差,能够实现长期稳定的高精度卫星编队导航.

基于势场法的卫星编队保持及其稳定性分析

本文研究了基于人工势场法的卫星编队保持的控制方法。由于多体问题无法求其解析解,转而考虑领导-跟随结构的限制性多体问题。其惯性坐标系下的平衡结构对应了无穷多的坐标组合,使得误差动力学系统的平衡点处的雅可比矩阵无法求解。提出了一类由惯性坐标系到特殊参考坐标系的坐标变换,使对误差动力学系统的稳定性分析只取决于编队的构型。通过对参考坐标系下误差动力学系统的约化及其平衡点处雅克比矩阵的特征值的求解,证明了此类控制方法的稳定性。

考虑姿轨耦合的航天器高精度实时导航定轨方法

针对近地轨道航天器及其全球导航卫星系统(GNSS)测量数据驱动的实时导航定轨方法,使用轨道动力学原理解析了由GNSS天线安装位置与航天器质心偏差造成的定轨误差。基于航天器在轨的刚体运动特性和对地姿态特征,提出针对安装关系对应的相对速度修正项。使用姿轨耦合的分析方法,明确了基于航天器质心轨道积分和天线测量点位速修正的GNSS测量信息模拟。结合扩展卡尔曼滤波(EKF)形式的实时导航算法,分析了安装关系造成的定轨系统误差。围绕半长轴确定误差的长期变化规律,仿真证明了GNSS测量数据的位速修正在高精度实时导航定轨过程中的必要性。

一种新型卫星携气瓶推力器喷气时长计算方法

卫星自主编队保持通常采用开环控制模式,需要星载计算机(AOCC)根据推进系统的工作状态实时计算喷气时长。由于AOCC计算能力有限,在携气瓶推力器仿真测试过程中采用的速度增量关机方式不适用于在轨喷气时长的计算。为减小AOCC运算量,提高控制精度,开展了携气瓶推力器的动力学建模仿真,进行了寿命期间的性能分析。针对该时变推力模型,设计了AOCC喷气时长计算方法。通过推力的状态传递和推力预测,构造了以喷气时长为变量的代数方程,并将该方法应用到一组多次喷气情况下的喷气时长计算。仿真结果显示:与以往基于单点测量的推力器喷气时长的计算方法相比,采用该方法计算的喷气时长更接近理论值,能够有效提高卫星自主编队保持的控制精度。

Motionplanningof UAVgroupusing modifiedgyroscopic force forguidance and avoidance

It is comment that unmanned aerial vehicles （UAVs） have limitation on information cap- turing in reality applications. Therefore, online method of motion planning is necessary for such UA- Vs. Gyroscopic force （GF） is used for obstacle avoidance as an online method. However, classical GF has shortcoming in generating orbit for UAV with high velocity because the GF results in a time- varying turning radius. Modified gyroscopic force （MGF） given by function of velocity can overcome this shortcoming and help get a more practical control law for avoidance. MGF can also be used to implement the guidance of UAV by designing particular active conditions. Interactions in forms of stress function and damping force are introduced so that an UAV group can have coordinated motion. By combining controls of MGF and interactions, motion planning of UAV group in obstacle environ- ment can be implemented.

深空星间链路信道建模及硬件模拟器研制

针对深空通信信道距离长、信噪比低、链路损耗巨大等特点,提出了太阳闪烁与多径效应影响下的深空星间链路信道理论模型。在此基础上,构建了一个基于硬件现场可编程门阵列和控制计算机的深空星间链路信道模拟器,有效模拟了深空星间通信的多径衰落、传播路径损耗和信道延迟,规避了投入高、风险高、耗时长的实地通信实验。实测结果表明,该深空星间链路模拟器输出的载噪比及误比特率波形与理论结果吻合,可用于实验室条件下对深空星间链路的实时模拟复现。

李群变分积分子在最优航迹规划中的应用

结合几何力学的相关理论,研究了个体航迹优化的控制策略及其算法实现。构造了随机规划算法以获取可行航迹点序列,具有较好的全局收敛性。利用最优控制方法求解所得航迹点之间的最优控制。几何力学着眼于个体的几何特性,利用李群来描述刚体的运动。依据离散变分原理,得到了刚体的李群变分积分子。藉由李群变分积分子构造的最优控制算法,可以高效地实现对刚体运动的最优控制。

GPS实时定轨误差对姿态确定的影响分析

对GPS实时定轨误差对卫星姿态确定的影响进行了分析。因用位置、速度确定的坐标转换矩阵无法直接给出姿态角确定误差的解析表达,基于近圆、近极轨轨道假设,根据位置、速度和开普勒轨道六要素间的转换关系,给出了小姿态角偏差条件下转换矩阵的全微分形式,进而给出了各姿态角关于各轴分量的偏导数形式,在分别分析位置和测速误差对姿态角影响的基础上,给出了综合的姿态角确定误差,推导了姿态确定误差的解析表达式。研究发现:速度矢量主要引起偏航角的误差,对俯仰和滚动方向几乎无影响;位置矢量主要引起俯仰和滚动轴的姿态角误差,对偏航角方向几乎无影响。仿真结果验证了分析的正确性,并发现GPS定轨误差引起的姿态角确定误差小于0.001°,基本可忽略。

面向推力器故障检测的卫星编队星间链路设计

为提升卫星编队推力器故障检测能力,将研究重点前移至系统设计阶段,提出了一种基于信息几何的卫星编队星间链路拓扑设计方法。通过利用黎曼流形点描述不同故障模式下卫星编队测量信息特征,使检测能力量化问题转化为黎曼流形上各点间距离的度量问题。在此基础上,构建了卫星编队检测能力的度量指标,提出了卫星编队星间链路拓扑的设计方法,并通过仿真实例验证了所提方法的有效性。

一种基于SGCMG的欠驱动姿态控制方法

针对以单框架控制力矩陀螺(SGCMG)为执行机构的卫星,提出分步设计控制律和操纵律来实现欠驱动姿态控制。用两个SGCMG进行三轴控制时,将控制系统分解为控制律设计和操纵律设计两部分,来实现角速度稳定和姿态角稳定。通过卫星姿态动力学方程和运动学方程,分别设计状态反馈控制器和反步法控制器;再进行SGCMG的操纵律设计。结合所设计的控制律和操纵律,能够实现基于SGCMG的欠驱动卫星姿态控制,数学仿真验证了该算法的有效性。