基于黎曼距离的编队飞行卫星姿态控制系统故障检测数据优选方法

为突破星上资源的严苛约束、提升编队飞行卫星故障检测能力,提出了一种适用于编队飞行卫星姿态控制系统的故障检测数据优选方法,通过利用黎曼距离衡量无故障情况和故障情况下系统测量信息之间的差距,构建了编队飞行卫星姿态控制系统故障检测能力的评价指标。在此基础上,提出了故障检测数据优选方法,为系统输出信息结构优化提供了理论依据。仿真表明,所提出的方法能够在星上资源受限的情况下有效提升编队飞行卫星姿态控制系统的故障检测能力。

编队飞行卫星群的轨道动力学特性与构形设计

编队飞行卫星群由一些相对距离近的小卫星组成 ,在严格的条件下 ,若干颗伴随卫星环绕一颗中心卫星作相对运动 ,相对轨道为有特别性质的椭圆。本文研究了编队飞行卫星群的轨道动力学特性 ,提出了编队飞行的轨道构形设计的原则和方法。

J_2摄动情况下编队飞行卫星相对运动精确解析模型研究

给出了一种描述J2摄动情况下编队飞行卫星相对运动的精确解析模型.在近圆轨道情况下引入无奇点变量,得到了参考星相对运动坐标系中从星运动的一般形式,进一步推导了J2摄动影响下初始时刻无奇点平均/瞬时轨道要素偏差表示的任意时刻编队飞行卫星相对动力学解析方程.仿真结果表明,编队飞行相对运动解析模型的相对位置误差在运行14圈内可以达到m级,为经典Hill方程对应误差的1%左右,能够精确预报编队队形的变化规律,为提出有效队形控制策略提供了理论基础.同时计算量小,适合于编队卫星星上自主运算和自主方案规划.

EKF/UKF在编队飞行卫星GPS相对导航中的应用

航天器编队飞行协调工作,必须精确确定各航天器的相对位置和相对速度,即进行编队飞行相对导航。将扩展卡尔曼滤波(EKF,extended Kalman filter)和非线性滤波unscented Kalman filter(UKF)算法同时应用于编队飞行卫星的载波相位差分GPS相对导航。EKF与UKF算法原理不同,UKF算法的精度比EKF的精度高。在实际应用中,可以将两种算法组成互为备份的相对导航滤波器,这样可提高滤波系统冗余性能。

用于对地观测定位的编队飞行卫星群轨道构形设计

编队飞行卫星群是一组小卫星,它们具有短的相对距离、相等的轨道半长轴和微小差别的其它轨道要素,它们形成相互伴随运动,并且具有一定的构形。提出将编队飞行卫星群的轨道设计技术应用于对地观测定位卫星系统中。根据设想的要求,针对由四颗伴随卫星围绕基准卫星(或一个虚拟的中心)飞行的轨道设计案例,初步分析了编队飞行卫星群的构形保持,地球引力和大气阻力的摄动影响等问题。

基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述

为统一描述编队飞行卫星中主从星的相对位置和姿态参数,利用对偶四元数,建立编队飞行卫星运动学模型,分析其物理意义,提出了基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述的划船算法,并利用这一算法解算出相对位置和姿态参数,突破了传统方法中将卫星轨道和姿态分而治之的方式。仿真结果表明该算法科学合理,能够有效描述编队飞行卫星间的相对位置和姿态。

编队飞行卫星覆盖特性研究

在单颗卫星覆盖特性的基础上给出编队飞行卫星覆盖特性的算法及其具体实现。结果表明,此算法简单、实用,适合短期预报。

基于对偶四元数的编队飞行卫星相对位姿描述及算法研究

针对编队飞行微小卫星,突破轨道姿态分而治之的传统模式,利用对偶四元数,提出了主从星间的相对位置和姿态统一描述方法,建立了对偶四元数卫星编队运动学模型。该方法区别于描述刚体纯旋转变换的四元数方法,将主从星的本体系之间坐标变换的旋转和平移过程进行融合、统一,并具有非常简洁的形式。同时,给出了求解模型的算法,解算出主从星间的相对位置和姿态。仿真结果表明该模型及算法科学合理,能够满足编队飞行的测控要求。

编队飞行卫星轨道的初步设计研究

使用两体相对运动的Hill方程进行小卫星编队飞行队形的初步设计,给出了编队飞行中各绕飞小卫星的轨道要素确定过程。以空间圆形编队为例,在未考虑摄动的情况下,通过仿真验证了设计的有效性。

一种便于摄动分析的编队飞行卫星相对运动的描述

定义了一组参数来描述卫星编队飞行的相对运动,称为相对轨道要素.利用它可以方便地分析摄动对相对轨道构形的影响以及卫星编队队形的几何特点.首先,对相对轨道要素给予了详细的推导,指出当主星偏心率为小量时,在主星轨道坐标系中相对轨道是一椭圆柱和一平面相交所得的交线,用描述该椭圆柱和平面的参数即可确定相对轨道构形,进而提出了相对轨道要素.其次,利用相对轨道要素对相对轨道进行地球扁率摄动分析,指出相对轨道构形的变化由两部分组成:一是椭圆柱的漂移导致相对轨道中心的漂移,二是平面法线的章动和进动引起相对轨道平面转动,同时还给出了地球扁率摄动下相对轨道构形漂移率及转动率的解析公式.最后,针对J2摄动分析了卫星编队相对轨道构形的变化以及相对轨道构形的漂移量和转动量.

一种多重构型约束条件下编队飞行卫星碰撞规避方法研究及应用

针对编队飞行卫星的碰撞问题,提出了一种在满足多重构型约束条件下,以单星小量半长轴控制方式对编队飞行卫星实施碰撞规避的方法。通过该方法,制定出以最小工程代价,同时保证载荷正常使用与卫星星体安全的控制策略。通过编队飞行卫星星座F1组主星进行的我国首次低轨编队飞行卫星碰撞规避过程,验证了该方法的正确性。

编队飞行卫星自主相对定轨研究

卫星编队飞行相对轨道自主确定作为实现队形保持和控制的前提,是编队任务必须解决的关键技术问题。根据C-W方程的解析解描述编队卫星间的相对运动规律,选取星间距离信息与方位信息作为观测量,针对卫星编队飞行自主导航系统对精确性和实时性的要求,用超球面分布采样点变换(Spherical Simplex Unscented Transformation,SSUT)和Unscented卡尔曼滤波(UKF)相结合,提出了SSUT的UKF(SSUKF)导航滤波算法。由于SSUT减少了采样点个数,在保证滤波精度和标准UKF相当的条件下减轻了计算负担,完成了卫星编队相对轨道状态的自主确定,并结合仿真的轨道数据和测量数据进行了仿真,仿真结果说明实现了卫星编队优化的有效性和实时性。

编队飞行卫星相对半长轴的变化分析和应用

针对某编队飞行卫星控制频次高、控制难度大的问题,分析了卫星间相对运动规律,建立了平面内相对距离、平面外相对距离、相对相位、相对升交点赤经与相对半长轴的数学模型。仿真了某编队飞行卫星副星与主星的相对半长轴变化规律,并通过实际在轨控制对仿真结果进行验证。验证结果表明,选择合适的相对半长轴作为目标控制量,在地球非球形摄动J2项影响下,主副星间相对位置变化情况满足仿真分析结果,在确保星座构型满足载荷使用的约束条件下,极大的降低了星座构型保持的控制频次。

面向卫星编队飞行的有线无线时隙融合调度方案研究

针对卫星编队飞行场景中星内有线和星间无线链路传输速率以及调度机制的差异性引起的时敏任务在星上转发时延不确定性的问题,该文提出一种有线无线融合的时隙调度方案。首先,分别构建星间无线链路传输速率、星间无线调度以及星内有线调度模型;其次,联合有线和无线链路传输速率以及二者时隙位置关系,建立有线无线融合调度与星上转发时延关联分析模型;最后,为确保时敏业务每次在星上传输的时延稳定性,在时延分析模型基础上以抖动最小为融合调度优化目标,并采用遗传禁忌搜索算法进行求解。仿真结果表明,相比于非融合调度方案,所提融合调度方案的抖动不高于40μs,转发时延平均降低了20%。

J_2摄动对编队飞行卫星相对轨道构形的影响

利用相对轨道根数法研究J2摄动对卫星编队飞行的相对轨道构形的影响,并利用高精度的算法进行数值仿真。结果表明:摄动可以使相对轨道构形发生转动与漂移两种变化。摄动引起相对轨道构形变化的形式,取决于参加编队卫星的轨道根数。当主、从星的轨道参数中只有升交点赤径不相同时,摄动对相对轨道构形几乎没有影响;当主、从星偏心率不相同时,摄动将引起相对轨道构形的转动;而当主、从星之间轨道倾角、近地点幅角和近地点时刻各不相同时,摄动将引起相对轨道构形的漂移。

编队飞行卫星相对运动的零J_2摄动条件

地球形状摄动对卫星编队飞行的相对运动有很大影响,会使卫星的相对轨道发生转动或漂移。该文推导了主、从星沿小偏心率轨道运行情况下的相对轨道的零J2摄动条件。如果编队卫星的交点周期和节线的进动速率相等,那么J2摄动对相对运动没有影响,卫星可长期保持编队飞行。在选取的主、从星轨道根数之差为小量的前提下,给出了零J2摄动的一阶近似条件的解析表达式。仿真结果表明,当编队卫星的相对运动满足零J2摄动的一阶近似条件时,卫星相对运动轨道构形的漂移明显减少。

CCSDS Proximity-1及其在编队飞行小卫星群中的应用

讨论近距离空间链路协议 Proximity- 1的层次结构和传输帧 Version- 3构成 ,分析包括 CCSDS标准包和用户自定义数据的数据业务及定时业务。针对编队飞行小卫星群的星间数据交换和自主测控 ,对 Proximity-

编队飞行卫星群无源时差定位精度分析

分析了编队飞行卫星群对地面辐射源的无源时差定位原理,推导出该系统的几何精度因子的表达式,并计算了星下点一定范围内的定位精度。进一步对几何精度因子的分布规律进行了分析,讨论了相对位置测量精度和测时精度对几何精度因子的影响,研究了基线长度和测时精度与GDOP的关系。

无需角速度的含通信时延卫星编队飞行自适应姿态协同跟踪控制

针对编队卫星姿态协同跟踪控制中存在相异星间通信时变时间延迟的问题,提出了采用一阶滤波器来设计含通信时延的输出反馈控制器,并通过引入参数在线自适应辨识技术,以实现利用卫星姿态误差信息来实现对卫星的转动惯量进行在线估计.对于系统稳定性的分析,通过构造一新型Lyapunov函数,证明该控制器不仅能够有效地克服通信时间延迟对编队系统协同性的影响,同时可论证无需角速度信息反馈的闭环系统的有界稳定性.最后,将提出的算法应用于只需要角速度信息反馈的卫星编队飞行的协同控制,仿真结果表明该方法的可行性与有效性,具有实际的应用前景.