基于综合变轨的高轨远程自主交会规划方法

基于近圆偏差线性方程研究了高轨远程交会问题,基于面内三脉冲变轨策略建立了双层非线性规划模型。外层采用粒子群算法对第1个和第2个脉冲纬度幅角进行寻优,对传统固定在远地点或近地点的方法进行改进。在确定第1个和第2个脉冲纬度幅角后,内层采用近圆偏差线性方程,快速迭代求解第3个脉冲纬度幅角和3次脉冲的速度增量。仿真结果表明,所提规划方法可用更小的燃料代价在指定时间内到达指定的变轨终端,具有工程应用价值。

近圆轨道航天器伴随飞行控制方法研究

对近圆轨道上航天器在轨长期伴随飞行的轨道控制方法进行了研究。比较了采用C-W方程(Clohess-Wiltsire)解析解和轨道根数两种方法描述相对运动的相同点和差异。分析影响航天器长期伴随飞行的各种因素。在总结相对运动规律的情况下设计轨道修正条件,提出两种伴随飞行的轨道控制方法,并分别对两种方法的控制效果进行理论分析。数学仿真结果表明两种控制方法都能实现航天器长期伴随飞行,且第二种方法能够较大程度上节省燃料消耗。

近圆轨道卫星编队捕获技术研究

基于近圆参考轨道的假设,研究处于同一入轨点多颗卫星的编队捕获方法,首先由高斯型拉格朗日轨道摄动运动方程得到轨道坐标系中控制冲量与轨道根数偏差的关系,基于近圆轨道的条件简化并带入相对运动方程,得到控制冲量与相对运动的关系表达式;通过深入分析各个方向(径向、沿迹向与轨道面法向)的控制冲量对相对运动的影响,给出了分别用径向与轨道面法向控制冲量组合和沿迹向与轨道面法向控制冲量组合实现编队捕获的两种控制策略;最后给出了一个空间圆编队捕获实例,并从燃料消耗、施加冲量次数及捕获时间等角度对比研究了两种控制策略的特点．仿真结果表明,这两种控制策略简单、实用,能够较好地解决近圆轨道卫星编队的捕获问题．

基于影锥特征角的近圆轨道卫星进出地影时间的快速判定法

为准确、快速地对航天工程中卫星进出地影时间进行预报,提出一种新的锥形地影判定条件和快速计算方法。以锥形影锥半锥角为特征角,影锥顶点到卫星和地心矢量的夹角为判定角,比较2个角的大小以确定卫星的地影状态。发现太阳地心矢量与卫星地心矢量的夹角不大于90°时,卫星位置不可能处于地影区的几何约束关系,能够预先确定卫星在近圆轨道上周期运动时地影预报时间窗口,仅对窗口内的轨道数据进行地影计算。仿真结果表明:基于影锥特征角的快速算法地影条件有效,判定计算量减少,预报精度略优于天体视半径判定法和影锥基本面投影半径判定法,计算效率比其他2个算法分别提高25.305%和52.172%。

基于二次方程组的邻近圆轨道四冲量最优交会

研究了一种基于二次方程组的邻近圆轨道四冲量最优交会的求解方法.给出邻近圆轨道交会的无量纲化动力学方程及相应的基向量方程,介绍由Carter提出的一种基于二次方程组的四冲量最优交会的求解方法,在提出邻近圆轨道最优冲量交会的原始解、相反解、对偶解、对偶相反解概念的基础上,分析基于二次方程组的四冲量最优交会的求解方法存在的问题,并给出修正方法.仿真结果表明,该方法是对Carter提出的基于二次方程组的四冲量最优交会求解方法的有效补充.

临近圆轨道最优脉冲交会中的参考系选择问题研究

利用极坐标下的无量纲化线性方程研究临近圆轨道最优脉冲交会中的参考系选择问题。首先给出了无量纲化线性方程,接着以定理的形式说明参考系的选择对该方程下的最优交会模式的分类和分布没有影响,并以二脉冲最优交会及二脉冲带漂移最优交会、Hohm-ann最优交会三种交会模式为例说明不同参考系的选择对各自模式下的求解过程也没有影响。但是在无量纲化过程中交会时间和轨道半径差受参考系选择的影响,所以参考系的选择会影响最优交会的结果,最后通过三种最优交会模式的仿真对此结论进行了验证。

基于无模型无迹粒子滤波的编队卫星相对运动估计

由于地球引力和大气阻力等因素造成的模型不确定性,使常规滤波方法用于卫星编队飞行相对运动估计时精度不高。为克服这种影响,提出了一种融合高斯过程回归(Gaussian process regression,GPR)的无模型无迹粒子滤波(model-free unscented particle filter,MF-UPF)方法。对近圆轨道的双星编队问题,新方法通过高斯过程回归对已有的量测数据学习建立相对运动模型,有效地避免了模型不确定性造成的滤波性能下降。仿真对比验证了无模型无迹粒子滤波在编队飞行相对运动估计中的优越性。

小脉冲约束下的近圆轨道控制方法研究

对于近圆轨道平面内参数的控制,采用传统的双脉冲控制方法,一条轨道圈内至多只能进行两次轨道控制,在单次控制小脉冲约束下,整个控制周期会很长。文章针对单次控制小脉冲约束,提出了一种增加一条轨道圈内的轨道控制次数的近圆轨道平面内参数控制方法,达到了相对双脉冲变轨可以大幅缩短整个控制周期的目的。

引力常数随时间变化对双星(密近食双星)轨道演变的影响(圆形轨道情形)

研究了引力常数随时间变化对食双星轨道演变的影响。理论结果表明:轨道半径和轨道周期以线性形式随时间缩减,但无周期变化、圆形轨道的形状只有周期和混合长期项(Poisson项)。对5颗密近食双星的轨道半径和轨道周期的长期演变的上下限做了数值估计,并具体讨论了理论结果和其他效应的对比。

利用卫星两行轨道根数反演热层密度

两行轨道根数(TLEs)是基于一般摄动理论产生的用于预报地球轨道飞行器位置和速度的一组轨道参数,通过求解大气阻力微分方程,可反演出热层大气密度.本文选取近圆轨道CHAMP卫星和椭圆轨道Explorer 8卫星,以两行轨道根数数据为基础,计算反弹道系数,并根据不同轨道特征采用两种不同反演方法对热层大气密度进行研究.结果表明,这两种方法反演得到的大气密度与实测值均符合较好,其中CHAMP卫星的反演结果和经验模式值相对于实测值的误差分别为7.94%和13.94%,Explorer 8卫星的误差分别为9.04%和14.32%.相比模式值,利用两行轨道根数数据反演的热层大气密度更接近于实测值,说明该方法可以作为获取大量可靠大气密度数据的一种有效途径.

近圆参考轨道脉冲悬停及其轨迹安全分析方法

基于航天器相对运动的C-W方程及其解析解,研究了空间相对悬停的脉冲控制方法,给出了相对悬停脉冲控制量的计算方法,降低了对空间悬停任务航天器控制推进系统的要求,有利于工程实现。以两航天器相对轨道机动过程中的碰撞概率计算方法为基础,对相对悬停的轨迹安全风险进行了量化分析。数值仿真算例显示,本文方法可实现圆或近圆参考轨道上的空间相对悬停,且缩短悬停轨道机动周期,有利于悬停效果的提升。悬停相对运动过程中,悬停碰撞概率的极值点与两航天器相对距离的最小值几乎同时出现。

近圆低轨道控制量简易计算方法

在工程任务顶层规划、轨道设计、任务实施时,通常需要计算用于轨道控制的推进剂消耗量。结合大量工程应用,给出了近圆低轨道控制中由轨道参数变化量计算速度增量,从而转换为推进剂消耗量的简易方法,以天宫一号/神舟八号交会对接任务、天宫一号/神舟九号载人交会对接任务远距离导引段轨道控制计算为例,分析验证了方法的有效性和实用性。

簇飞行网络雷达几何构型对模糊函数的影响

提出了集分离航天器与网络雷达为一体的簇飞行网络雷达概念.通过引入双基地雷达模糊函数,给出簇飞行网络雷达模糊函数定义和计算步骤,研究了雷达几何构型和簇飞行雷达之间相对有界基线对模糊函数的影响.数值计算结果表明:与单基地雷达模糊函数相比,网络雷达模糊函数主瓣宽度明显变窄,簇飞行模式下可变基线对雷达模糊函数的影响不大;雷达模糊函数应主要考虑目标飞行速度和接收距离变化的影响.最后,给出了簇飞行网络雷达模糊函数的一种上界.

基于GPS测量数据的卫星在轨轨道预报算法研究

为提高微小卫星的在轨轨道预报能力,针对常用的低轨近圆卫星轨道,根据解析的轨道动力学模型,基于无奇点变量的拟平均要素法,用Kalman滤波技术给出了一种卫星解析星历参数在轨估计算法,用GPS测量信息对相关星历模型参数进行在轨估计。给出了算法流程。先由外部标志判断滤波器初始化状态,若需初始化,则可基于GPS测量数据,或地面上注星历参数,或上次滤波所得星历参数进行;若初始化已完成,则对星历模型参数进行Kalman滤波,得到更新的星历参数。给出了滤波算法中轨道预报、残差计算、量测计算和UD分解的计算模型。仿真结果表明:对轨道高度450km以上的近地圆轨道,7d内的预报精度优于20km。算法具自启动(自初始化)、收敛性佳、对测量数据的采样要求不严格等优点,实用性好。

交会对接远程导引轨道控制状态规划与优化算法

对空间交会对接远程导引段轨道控制问题进行了研究。在简单介绍交会对接远程导引轨道控制实时规划模型的基础上,提出了基于近圆偏差方程、序列二次规划算法和目标权重函数等在不同控制目标模式下的状态规划与优化算法。仿真结果表明,该算法收敛速度快,能较好地满足交会对接远程导引段的轨道控制要求,具有一定的工程实用价值。