基于二阶CW方程的引力波探测编队构形设计

针对基于CW(Clohessy-Wiltshire)方程所设计的空间引力波探测编队在二体非线性引力场下的臂长发散问题,提出了一种基于二阶CW方程的编队构形设计方法。推导了二阶CW方程的微分形式,利用摄动法得到了二阶CW方程的近似解析解,并以此为基础证明了完美空间圆形绕飞轨道的不存在性,分析了基于CW方程所设计的标称构形的发散原因;基于二阶CW方程与能量匹配周期条件以航天器相位角为优化变量构建了编队构形优化模型,建立了基于全局优化算法和模式搜索算法的多约束构形优化方法;以“太极”任务为背景对优化结果进行了仿真验证。仿真表明:所提出的优化方法能够将编队臂长的平均误差降低至0.32%、最大误差降低至0.44%。

地球静止轨道CW方程建模误差分析

针对地球静止轨道的小倾角、小偏心率的特点,本文在瞬时密切轨道坐标系推导分析了CW方程的各类误差要素,包括地球非球形摄动、三体引力等环境误差,以及线性化误差、非圆轨道相关误差等。采用误差线性化方法结合CW方程解析解得到了J_(2)、偏心率相关误差项的解析表达式。数值计算表明:地球静止轨道下CW方程的误差项要素较多,与相对运动构型的尺寸、漂移特性等均相关。二次项误差、偏心率相关误差、J_(2)项相关误差量级相当,是地球静止轨道CW方程的主要误差源,同时呈现出常数和低频波动相结合的误差形式,分析结果可作为地球静止轨道高精度相对导航和制导设计的理论依据。

一种基于CW方程的交会远程导引终端误差分析新方法

直接采用轨道坐标系的相对位置和速度描述交会远程导引误差会产生误差放大的不合理现象,对远程导引误差的精确分析需寻求新的误差描述与分析方法。本文在算例分析的基础上提出了一种基于CW方程的远距离导引终端误差分析新方法,并利用该方法建立误差模型分析远程导引的误差分布与传播。分析结果表明基于CW方程的远程导引误差模型能较为准确地描述远程导引终端的误差状态和后续传播情况,适合在实际工程中用于描述远程导引终端精度指标。

基于CW方程的卫星编队飞行相对运动分析

随着航天技术水平的不断提高，卫星平台逐步向小型化、低成本发展，卫星编队飞行技术在该过程中日益成熟，通过卫星编队可以实现较多复杂功能。国外在此领域已有多个成功案例，如美德合作研制的重力和气候实验卫星（GRACE—1，2）、德国Tandem—TerraSAR编队卫星等；国内也取得了较快发展，如天宫二号伴随小卫星试验等。本文基于CW方程对卫星编队飞行相对运动关系，进行了定量和定性研究，分析了CW方程的使用约束条件及解的初始条件对编队卫星形成稳定状态构形的影响情况，并通过实例进行了结果验证，取得了较好结果。

J_2摄动下卫星相对运动解析方程研究

在圆/近圆参考轨道下,依据含有J_2摄动的卫星相对运动动力学模型,提出将变化幅度较小的地心距及轨道倾角平均化,求解J_2摄动下卫星相对运动动力学模型,获得了适用于任意初始条件的、以相对位置和相对速度为变量的、解析形式的J_2摄动卫星相对运动方程。仿真结果表明,与经典CW方程相比,J_2摄动下卫星相对运动精度提升明显,证明了所提方法的合理性和准确性。

圆轨道近程自主交会轨道设计

采用线性化CW方程研究了空间飞行器近程自主交会轨道设计问题。结合多冲量滑移算法和工程上对交会时间的要求,提出了快速、指数及慢速滑移轨道的概念,给出了三种轨道的设计方法和实现算法。本方法可以实现接近操作减速以及撤离操作加速的任务要求。通过仿真对接近和撤离等交会操作进行了验证,仿真结果表明设计方法可行,满足交会任务对时间及状态参数变化规律的要求。

交会对接自由漂移轨迹安全性判断研究

针对长方形禁飞区下,近距离交会对接过程提出任意初始状态下轨迹安全的判断方法.先分析CW方程描述下相对运动轨迹的性质,通过分析轨迹与禁飞区最可能相交的特征点的分析和轨迹越过禁飞区相交问题的判断,判断轨迹是否安全.仿真结果表明所提出的安全判断方法能准确给出轨迹是否安全的结论,且算法简单、计算量小.

航天器末端拦截自适应博弈策略

针对航天器末端拦截博弈问题,基于微分对策理论研究了各星的博弈策略。根据拦截空间是否具有防御器将博弈态势分为双星博弈和三星博弈。首先考虑拦截器与目标的双星博弈态势,以终端脱靶量为指标设计了相对博弈策略,并提出时间分析方程以提高策略对不同拦截态势的自适应性。然后,考虑具有防御器的三星博弈态势,提出了博弈切换策略将其化为分段双星博弈,并将双边时间方程扩展到三星博弈中,使拦截器在不被防御器反拦截的情况下,实现对目标的快速拦截。最后仿真分析了博弈策略与时间分析方程对航天器拦截博弈问题的有效性。

多星博弈拦截Nash和Pareto策略研究

针对多星博弈拦截问题,基于微分博弈对策研究了各航天器的博弈策略。分别讨论了多颗拦截器的非合作Nash反馈策略,以及合作Pareto反馈策略。首先针对Nash均衡,各拦截器以终端零控脱靶量为指标设计了博弈策略,而目标的策略以终端脱靶量的加权和进行设计。进一步,考虑各拦截器采取合作方式进行拦截,相应的博弈策略基于单一指标的凸组合进行设计,而目标的策略保持不变。通过比较,Nash反馈策略与Pareto反馈策略相同,使得拦截器可以采取非合作模式实现合作拦截的目的。最后仿真分析了2颗拦截器对同一目标进行拦截的博弈态势,表明了本文提出的博弈策略对多星博弈问题的有效性。

空间交会对接寻的段三次变轨策略分析

根据第一次变轨采用地面或自主引导,以及后两次变轨策略,提出了采用Hohmann变轨与CW双脉冲最优变轨、CW双脉冲变轨+中途一次修正,以及CW三脉冲最优变轨的空间交会对接寻的段三次变轨方案。仿真分析了方案中Hohmann变轨椭圆转移轨道远地点高度、CW双脉冲转移时间、总转移时间或第二次变轨时间与总特征速度的关系,并给出寻的段变轨策略建议。

在轨服务的相对运动耦合动力学建模与分析

研究在轨服务航天器逼近与捕获目标航天器的相对轨道姿态耦合动力学建模问题。考虑航天器姿态与对接位置的运动耦合,建立目标运行在任意轨道下的相对轨道姿态耦合动力学模型,并对模型中的运动耦合进行深入分析。设计一种非线性的输出反馈姿态控制律,将建立耦合动力学模型与CW方程进行仿真比较,验证轨道与姿态的运动耦合对两航天器对接点之间相对位置的运动影响。

编队卫星自主相对导航简化强跟踪UKF滤波算法

针对编队卫星自主相对导航过程中存在模型不确定性及噪声统计特性时变导致EKF滤波算法估计精度降低、鲁棒性较差的问题,以STF为理论框架,设计了简化强跟踪UKF(SSTUKF,simplified strong tracking unscented kalman filter)滤波算法。该算法基于STF的等价表示来计算次优渐消因子,避免了计算Jacobi矩阵,通过在线实时调整滤波增益矩阵,确保系统理论模型偏离实际模型时输出残差序列相互正交,增强算法的鲁棒性,并且对时变的噪声统计特性不敏感。结合CW系统模型线性特点,用标准卡尔曼滤波中的时间更新代替相应的UT变换过程,在提高估计精度的同时有效地降低了运算量,增强算法的实时性。仿真结果验证了该算法的有效性。

空间交会对接最终平移段直线制导律研究

针对空间交会对接最终平移段追踪器沿视线作受迫接近运动问题,基于相对运动动力学特性研究V-bar、R-bar直线接近制导方法,设计了采用脉冲式匀速和有限推力式变速直线制导律,获得了燃料最省的制导条件。最后进行了仿真验证与对比分析,仿真结果表明,设计的制导律简单有效,其中V-bar直线制导的脉冲式实现与有限推力式实现燃料消耗相同,但有限推力式转移时间较长;而R-bar直线制导的有限推力式实现与脉冲式实现相比,燃料消耗更多,转移时间也更长。设计的V-bar、R-bar脉冲式和有限推力式直线制导律适合不同推进器配置下的工程应用。

基于自适应容积卡尔曼滤波的非合作航天器相对运动估计

针对目标星无信息传递以及无特征光点的非合作目标交会对接问题,提出了一种利用立体视觉的相对运动估计方法。由于测量装置安装在非质心位置时,CW方程描述的卫星相对运动所存在的误差不能忽略,因而通过给出适用于椭圆轨道和圆轨道下的一般耦合模型,来描述姿态运动对位置运动的影响。为了克服模型的严重非线性以及噪声统计特性时变的问题,提出了基于Sage-Husa噪声估计器的自适应滤波器。仿真表明:该算法能够适应测量噪声统计特性随时间变化的情况,具有较高的相对运动估计精度。