空间引力波探测正三角形编队动力学机理与控制方法

空间引力波探测要求航天器以正三角形编队稳定运行,其形成方式与维持方法面临诸多挑战.对国内外已提出的三类正三角形编队方案进行了对比分析,总结和梳理了各类正三角形构形的内在形成机理,深入探讨了不同构形的摄动演化规律和稳定性条件,在此基础上提出了空间正三角形编队的初始化、保持与重构控制原理.研究结果将为空间引力波探测编队构形的设计与控制提供理论基础.

近地引力波编队构型设计与初始化方法研究

近地小型化引力波探测编队研制周期短、成本低,适合于引力波项目前期的关键技术验证,具有重要的工程应用价值。不同于深空环境,近地引力波编队受地球非球形引力摄动影响显著,星间距离易产生发散致使任务失败。因而相对于典型的深空引力波探测编队,近地引力波探测编队在无控状态下的自然稳定编队构型设计及其构型精确初始化是一个全新的轨道设计与控制问题。本研究以二体引力场下的轨道动力学和相对运动动力学为基础,对正三角形编队构型进行初步设计。再以构型长期稳定为目标,从摄动解析理论和智能优化的数值搜索方法对摄动条件下的自然稳定构型进行求解,为近地引力波探测编队提供了稳定的构型设计方案。最后,针对探测构型的精确初始化问题,探索了全局最优的微分校正策略,实现了近地引力波探测编队的高精度构建。

多星近距离绕飞观测任务姿轨耦合控制研究

针对多星近距离绕飞观测任务,建立了相对姿态轨道动力学模型,分别考虑了在椭圆、空间圆绕飞轨道上观测卫星的两种期望三角形编队构型,以观测卫星视线始终指向目标为期望姿态,采用基于四元数和角速度误差反馈的比例-微分控制律以及一种改进的基于人工势场法的制导方法相结合,对相对姿态及轨道进行控制。仿真结果表明:在控制律的作用下,绕飞过程中各观测卫星均能够有效地跟踪期望相对姿态和期望相对轨道;在空间圆绕飞轨道构型中,各观测卫星从初始同一位置出发后,在任意时刻3颗观测卫星构成的编队构型始终为正三角形,且正三角形的边长从零逐渐增大,最终等于期望正三角形构型的边长。

面向空间引力波探测的多边形编队设计方法

航天器编队构形设计是航天器编队飞行与控制首先要解决的问题。本文总结了空间引力波探测任务的正三角形编队设计方案,对3种典型的三角形编队构形生成机理进行了归类和比较分析。随后根据引力波探测原理,将三角形编队方案拓展到任意多边形编队方案,并给出了实现引力波探测器激光链路中转的多边形编队光路设计方法。在此基础上,给出了基于Clohessy-Wiltshire方程与周期匹配原理相结合的多边形编队设计方法,包括多边形框架编队与多边形网格编队两种全新编队类型。研究结果将为包括空间引力波探测在内的多种航天任务的编队构形设计提供理论基础。仿真结果表明,航天器编队构形设计方法设计出的编队臂长足够稳定,具有潜在的工程应用前景。