近圆参考轨道卫星编队脉冲控制方法

针对高斯摄动方程在描述近圆轨道时其近地点幅角和平近点角存在奇异性的问题,采用非奇异轨道要素描述卫星轨道运动,推导了适用于近圆参考轨道编队的非奇异轨道要素脉冲控制模型。基于该模型,首先设计了一个法向脉冲同时调整轨道倾角和升交点赤经偏差;然后,先假定采取在两个位置分别同时施加切向和径向脉冲的策略调整其余轨道要素偏差,分析了如在第一个位置施加切向脉冲时将会导致的复杂非线性问题,从而提出了一种在轨道上的某两个位置分别仅施加径向和切向脉冲的双脉冲控制修正算法,并且分析了该算法的燃料消耗情况。最后通过数值仿真验证了算法的简单性和有效性。     

基于相对偏心率/倾角矢量的编队控制方法

基于高斯摄动方程,分别提出了效率高及燃耗少的两种编队脉冲控制方法。两方法均设计了同样的法向脉冲修正轨道面外队形偏差。对于轨道面内队形偏差,方法一设计了径向脉冲和径向、迹向的“合力脉冲”完成修正控制;方法二设计了两迹向脉冲实现对相对半长轴、偏心率和近地点幅角的修正,以及两径向脉冲来消除相对平近点角偏差。理论分析与仿真结果表明,与经典五脉冲控制方法相比,方法一和方法二分别具有高效和燃耗少等优点。     

J2摄动影响下的卫星编队稳定性分析、仿真与构形设计

从坐标变换矩阵入手，得到小偏心率参考轨道卫星编队较精确的相对运动分析解，继而深入地分析在地球J2项摄动影响下编队构形的破坏机理并对构形破坏做出层次上的划分，为进一步地研究编队构形保持与控制方法提供思路；以此为基础，提出使卫星编队构形稳定的轨道约束条件，同时得到基于三轴(即参考卫星轨道的径向、沿迹向、轨道面法向)振动同步的编队构形设计方法；最后，通过使用STK软件的数值仿真证实了以上分析的正确性和方法的有效性。     

J2和大气阻力摄动下卫星编队队形控制

针对低轨运行的编队卫星在J2和大气阻力摄动作用下其编队队形会很快遭到破坏的情况,以平均轨道根数描述卫星编队中从星相对于主星的相对轨道构形,基于高斯摄动方程,给出了在这两种摄动作用下的、以平均轨道根数为被控制量的状态方程并设计了相应的非线性控制律控制卫星编队队形。最后,数值仿真结果验证了所给出控制律的有效性。     

基于摄动的不稳定编队协同控制系统仿真

编队卫星构形精确保持是实现分布式卫星任务的关键技术。基于摄动对编队相对轨道构形的影响,针对卫星轨道半长轴有偏差的不稳定编队,设计了一种基于视线测量无主星编队的循环协同控制系统。编队中每一颗卫星跟踪自己轨道前方邻近卫星,产生一个视线测量矢量,编队的第一颗卫星追踪最后一颗卫星,产生循环编队,将编队卫星之间的视线距离作为反馈控制量来实现队形控制,文章给出了相对摄动力方程和控制系统的仿真算例,仿真结果表明,该循环协同控制系统能够实现队形控制的稳定性。     

卫星编队脉冲机动维持控制与策略

针对近地圆轨道卫星编队维持问题，开展了脉冲控制方案与维持控制策略研究，并搭建了仿真环境进行验证。根据相对轨道根数(relative orbital elements, ROEs)的状态转移方程，推导了各ROEs元素在J₂摄动下的漂移速率，并针对编队构型受到空间摄动的破坏问题，提出了两种不同的编队脉冲控制方案和维持策略。基于空间圆编队长期维持需求，建立了包括高精度轨道递推算法的任务仿真环境，从脉冲消耗与控制误差对提出的方案策略进行了分析讨论，验证了脉冲方案与维持策略的可行性。仿真结果表明，所提出的脉冲控制方案与维持策略具有较高的有效性及可靠性，可用于未来空间编队飞行任务。     

J_2摄动影响下椭圆参考轨道的相对运动模型研究

Hill方程和Clohessy-Wiltshire方程广泛用于解决编队飞行卫星的相对运动,这些方程的线性化基于三点假设：理想球体、圆参考轨道和相对距离足够近。这些假设带来较大的模型误差,没有考虑J2摄动的影响和椭圆参考轨道。针对这个问题,提出一种线性化的相对运动模型,充分考虑了J2摄动带来的相对运动长期漂移,以及利用J2摄动下瞬根与平根的转化,建立了基于初始瞬根和瞬根差的椭圆参考轨道相对运动模型。仿真结果表明该模型有效。     

低轨回归轨道卫星轨迹漂移特性分析与控制

针对低轨回归轨道卫星,建立了星下点轨迹漂移的数学模型,研究了星下点轨迹保持控制的问题。首先,分析了回归轨道星下点轨迹的约束条件,给出了星下点轨迹漂移与卫星轨道根数偏差之间的关系。在此基础上,将星下点轨迹保持控制问题转化为基于平均轨道根数的相对轨道控制问题,其中参考卫星是虚拟的,仅受到地球引力影响,利用高斯摄动方程建立了包含J₂摄动和大气阻力摄动的相对运动方程,基于Lyapunov理论设计了星下点轨迹保持的相对平均轨道根数反馈控制律。仿真结果表明,所设计的星下点轨迹控制律能有效地实现星下点轨迹保持的要求。     

基于相对角动量的空间非合作目标机动仅测角检测方法

针对传统方法在空间非合作目标小脉冲轨道机动检测过程中性能不佳的问题，在构建了一种基于相对角动量的新型待检特征量的基础上，提出了利用无源光学相机仅测角信息的轨道机动检测新方法。首先，在轨道坐标系下建立了基于Clohessy-Wiltshire方程的相对动力学模型和相机偏离质心安装时的相对视线角测量模型；然后，给出了相对角动量的定义并量化分析了以相对角动量作为机动检测特征标志的优越性；接着，设计了基于二次滑窗方差比值的机动检测算法框架；最后，通过数值仿真对所提算法进行了有效性验证和性能分析。仿真结果表明，该方法可以实现对近圆轨道目标的快速轨道机动检测，机动时间点检测误差在60 s以内。     

卫星星座及其覆盖问题建模与可视化仿真

为了便于对卫星星座及其覆盖特性进行研究,笔者独立开发了一套卫星星座可视化仿真软件,该软件可以动态演示星座的三维几何构型、卫星的姿态运动以及相应的卫星星下点和覆盖区。该软件由存储、计算和结果显示模块组成。存储模块使用了数据库技术来对相应的初始参数进行操作;结果显示模块使用了OPENGL和简单GIS技术来演示星座运行、卫星姿态以及星下点轨迹和覆盖圆情况。并给出了计算模块所使用的轨道动力学模型、姿态模型以及覆盖模型。轨道动力学模型考虑了大气阻力和J2项摄动,并使用Cowell法建立轨道运动微分方程,利用Adams线性多步法进行求解,以保持较高的计算精度。姿态模型主要使用姿态四元数建立相应的姿态运动。覆盖模型则针对稀疏星座对固定目标的重访时间进行了建模,提出了数值法与解析法求解重访时间的方案。最后给出了程序运行效果与仿真算例。     

Shift control method for the local time at descending node based on sun-synchronous orbit satellite

This article analyzes the shift factors of the descending node local time for sun-synchronous satellites and proposes a shift control method to keep the local time shift within an allowance range. It is found that the satellite orbit design and the orbit injection deviation are the causes for the initial shift velocity, whereas the atmospheric drag and the sun gravitational perturbation produce the shift acceleration. To deal with these shift factors, a shift control method is put forward, through such methods as orbit variation design, orbit altitude, and inclination keeping control. The simulation experiment and practical application have proved the effectiveness of this control method.     

面向编队卫星的空间系绳在轨服务

针对编队卫星的在轨服务任务,提出一种基于绳系卫星系统的服务方案.该系统由质量较小的服务航天器和质量较大的燃料站通过系绳连接构成,以被服务编队卫星参考中心为原点建立坐标系与相对动力学模型.基于伪谱法研究了综合考虑系绳的状态与控制约束的绳系多星服务最优控制策略.以空间圆构型的编队卫星为例,分别分析了绳系卫星系统和单卫星平台...     

基于虚拟结构的卫星编队机动控制

针对某些航天任务在小卫星机动过程中需要保持编队构型,提出了利用虚拟结构解决三星编队机动控制问题。建立了虚拟结构坐标系,在机动过程中,三颗卫星视为一个虚拟刚体,保持编队构型。设计了虚拟结构的动力学和运动学控制器。动力学控制器包含编队队形反馈,实现对编队速度的控制。针对外加干扰,设计了姿态变结构控制器,利用李雅普诺夫方法证明了系统的稳定性。对三星编队机动进行仿真,实现了编队构型的保持,验证了方法的有效性。     

混合式微小卫星编队飞行控制仿真系统设计

提出了一种混合式的微小卫星编队飞行控制仿真系统。该系统由三个节点组成,即两个模拟卫星和一个控制中心,节点之间通过星间网络进行数据交换。模拟卫星由星上计算机和各种星上敏感器和模拟执行器构成。星上计算机接收星上敏感器的物理输出,并经过星地转换模型对传感器数据进行修正。在一定的控制策略下,卫星控制模型进行计算产生控制输出,控制输出在控制界面上进行显示,并同时作用于传感器修正模块,实现系统的闭环控制。控制中心主要提供强大的计算功能,也可以单独构成一颗数字卫星。在这个控制仿真系统中,能够进行多种控制策略的仿真,包括双星主从控制、双星协同控制、三星主从控制、三星协同控制以及单星失效模式等。