近地小行星天地基光学监测系统预警能力分析

针对近地小行星撞击地球的威胁,分析研究了各类典型天地基光学监测系统的短期预警能力.提出了短期预警圈的概念,利用太阳系内天体光学反射模型,仿真计算了以LSST为代表的大口径地基望远镜,以日-地L1点、类金星轨道和大幅值逆行轨道三种典型轨道为代表的天基光学监测系统的短期预警能力,并比较了三种天基系统对太阳方向来袭的近地小行星的预警能力.结果表明,L1点预警覆盖稍好但可提供的预警时间较短;类金星轨道星座预警时间长、天区覆盖广,但存在相位间隙会导致漏警;大幅值逆行轨道针对太阳方向具有覆盖率高、预警时间长等优势.可见,通过部署若干天基系统监测节点,可以为地基监测系统提供有力补充,解决太阳方向的覆盖盲区问题,全方位预警近地小行星撞击地球风险.      

基于星敏感器和星间链路的卫星星座自主定轨研究

以对地定位观测三星星座为例, 研究了联合星敏感器和星间链路测量信息的卫星星座自主定轨方法. 通过仿真三星星座星间链路观测和CCD星敏感器对背景恒星的观测, 生成两种类型的仿真观测资料, 基于这些资料建立了星座联合自主定轨的测轨方程, 在此基础上进行了星座自主定轨的仿真计算. 综合考虑各种定轨方案以及潜在的各种测量误差的影响, 对卫星星座自主定轨精度进行了比较和分析, 结果表明所采用技术手段应用于卫星星座自主定轨是可行的, 并形成了若干研究结论, 对于这种自主定轨技术拓展应用于更广泛意义下的卫星编队星座具有重要的参考价值.     

激光清理地球静止轨道碎片的天基平台控制方法

推导了天基高能激光清理作用地球静止轨道(geostationary earth orbit, GEO)碎片的最佳角度解析关系,分析了天基平台接近碎片过程以及相对碎片空间位置和姿态的相互影响,建立了激光清理GEO碎片的天基平台的轨道姿态耦合动力学模型,考虑了终端状态、安全距离、保持连续观测、控制和状态变量幅值等约束条件,以推进燃料消耗最省为性能指标,依据极小值原理推导了耦合控制方案的最优性内部结构标准,基于hp自适应伪谱法对仿真场景进行了寻优求解和分析验证。仿真结果表明,耦合优化控制方案合理可行,对未来天基激光清理GEO碎片的工程实施具有一定参考价值。     

近地天体与空间目标初轨确定的多解问题

针对近地天体与空间目标光学观测资料初轨确定过程中求解Laplace或Gauss八次方程时遇到的多个根无法判别的问题, 提出了一种有效的选择算法。通过构建Laplace八次方程, 分析了八次方程系数与根的个数之间的关系。利用观测平台地心距对八次方程进行归一化, 消除了平凡解, 并分析了方程非伪解个数与观测几何之间的关系。从求解半通径的方程出发, 利用Shefer方程, 推导了斜距约束, 得到了观测时间间隔和斜距变化量之间应满足的方程组的解析形式, 给出了利用该方程组判别非伪解的方法。最后, 对近地天体和空间目标的初轨确定进行了仿真验证, 仿真结果表明本方法能快速且有效地选择出正确的根, 解决了多个非伪解难以选择的问题。     

空间目标天基监视分布式仿真系统设计

以HLA在航天系统仿真领域的广泛应用为背景,设计了基于HLA的空间目标天基监视分布式仿真系统。在系统架构层面,设计数据层、模型层、任务层的分层结构。在系统设计方面,设计仿真控制成员、天基监视成员、光学载荷成员、空间目标成员和视景仿真成员,建立天基监视系统中的轨道动力学及机动模型、姿态动力学与控制模型、载荷指向及目标成像模型。在系统实现方面,基于RTI进行系统集成。应用Vega Prime和OpenGL实现天基监视视景仿真和光学成像仿真,完成空间目标天基监视任务的仿真验证。     

GEO空间慢旋目标天基监视受控绕飞轨道设计与仿真

为实现GEO空间慢旋目标特定面的连续观测,提出了一种天基监视受控绕飞轨道设计方法. 首先建立了目标、天基平台相对运动模型,研究了空间任意自旋轴下的期望相对轨道模型,设计了单周期受控绕飞模型和多周期螺旋接近受控绕飞模型,应用时间约束的多脉冲控制实现平台受控绕飞,仿真分析了不同绕飞半径、不同脉冲数、不同绕飞周期下的受控绕飞轨道,最后提出并验证了多周期螺旋接近受控绕飞策略. 结果表明,基于GEO空间自旋目标姿态变化的受控绕飞的相对轨道设计,能够实现目标特定面的连续指向观测,相关仿真结果和结论对实际工程应用具有一定的参考意义.      

摄动情况下有限推力轨道转移与交会联合优化

远程轨道转移与近程交会是空间交会任务的两个重要阶段,前后衔接,但研究模型不同,任务约束要求差异很大,经常只能分别优化设计。研究摄动情况下的有限推力轨道转移与交会联合优化设计问题,建立了精确的有限推力轨道转移和空间交会模型,推力幅值恒定,优化性能指标均为时间最短。采用Gauss伪谱法将两个最优控制问题分别转化为非线性规划(nonlinear programming,NLP)问题,再建立其联系,构建成一个NLP问题,获得整体优化。最后,通过一个仿真算例,验证了有限推力异面轨道转移与空间交会联合优化,求解过程和结果表明,该方法对初值敏感度小、鲁棒性强、收敛快,满足各类约束条件,能为相关的多阶段整体优化问题求解提供参考。     

基于NTSM的航天器特征点凝视跟踪控制

针对航天器特征点凝视以及随动跟飞问题,提出了一种建立在目标特征点指向(feature point directing, FPD)坐标系下的相对运动动力学模型,并基于非奇异终端滑模方法(nonsingular terminal sliding mode, NTSM)实现了航天器的相对姿轨耦合控制。首先,以凝视跟踪的目标特征点为原点,跟踪指向轴为主轴,建立了FPD坐标系下的特征点相对运动模型,该模型在控制过程中可以保持特征点相对运动期望状态稳定不变,从而降低了末端约束的处理难度。其次,基于NTSM方法设计了一种有限时间控制律,并对其稳定性和滑模到达时间进行了分析,理论证明了该控制律满足Lyapunov稳定性条件,且系统能在有限时间内迅速收敛到平衡状态。最后,仿真结果表明FPD坐标系下的特征点相对运动模型以及NTSM控制律在求解特征点凝视跟踪问题上具有良好的性能和普适性,研究成果对空间在轨维护、空间操控以及深空小天体悬停着陆等具有一定的理论参考价值。