基于模型预测的卫星编队队形机动控制

针对卫星编队队形机动控制推导了一种利用相对平均轨道根数为反馈量的模型预测控制算法。当面质比不同的主从卫星在近地轨道上编队飞行时,大气阻力摄动和J2项摄动是影响编队队形的两个最主要的因素,故先推导了一组包含大气阻力摄动和J2项摄动利用相对平均轨道根数描述的相对动力学方程,然后采用了一种新的基于模型预测的控制算法并讨论了该控制算法在编队飞行队形机动控制中的一些应用问题。该控制算法是一种在线滚动优化控制算法,即使存在各种较大的干扰力和模型的不确定性仍能取得良好的控制效果,且能够较好地解决存在状态约束、控制输入约束等各种约束控制问题。仿真结果表明,该控制算法接近于燃料最优,且能够在各种摄动下把队形机动控制在要求的精度范围内。     

空间站伴随卫星编队飞行轨道设计

在考虑地球扁率摄动影响时，用动力学和运动学两种方法研究空间站伴随卫星编队飞行的轨道设计。动力学方法依据C—W方程，通过轨道根数和相对运动参数的相互转换进行轨道设计；运动学方法以轨道根数为参数给出了基准伴随卫星的绕飞轨道方程，据此可直接得出其轨道根数，然后通过解绕飞轨道方程得出一般伴随卫星的轨道根数。以空间站为中心的对地观测编队卫星群(其绕飞轨道在当地水平面的投影为圆)为例，分别利用两种方法进行了设计分析，结果表明两种方法是基本一致的，均可用于伴随卫星编队卫星群的轨道设计。     

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。     

考虑摄动影响的空间站伴随卫星群轨道设计

以运动学方法为基础．考虑摄动对长期相对运行轨道的影响．推导了空间站伴随卫星长期运行的条件表达式．该方法利用不同天体力学特性．将相对运动参数与轨道要素直接联系起来．得到了摄动力和相对轨道要素之间的关系．地球扁率的影响可通过二者轨道要素的取值约束部分消除．而大气阻力的影响因二者弹道系数的较大差异难以从理论上进行消除．必须利用推力装置或者回收释放的方法进行轨道修正．     

航天器轨道计算精度数值分析

文章介绍了航天器轨道计算的基本流程,从数值上分析了时间和坐标转换、各种轨道摄动力及它们在不同的计算条件下,对轨道数值计算精度的影响,为各种应用提供简明信息.部分摄动如光压摄动、日月引力摄动对轨道计算精度的影响随着高度的增加而增大,而另一些如大气阻力及地球引力场模型的影响随着高度的增大而减小;对于低轨道航天器,由于飞行速度较快,总体加速度较大,因此误差的累积速度也较快,各种摄动的影响均较为明显.     

摄动椭圆参考轨道编队相对运动方程

基于高斯摄动方程,推导了卫星在同时考虑J2和大气摄动情况下的轨道根数变化方程。然后,引入虚拟参考卫星的概念,通过将真实卫星在虚拟参考卫星附近作一阶展开的方式,分析真实卫星相对于虚拟参考卫星的运动情况,进而获得一种在同时考虑J2和大气摄动情况下的线性时变编队相对运动模型。最后,将数值仿真结果与STK高精度轨道预报模块作对比,结果表明:本文算法可较为准确地预测椭圆参考轨道编队(编队构形不大于10 km)的构形变化情况,从而验证了算法的有效性。     

空间太阳能电站的长期轨道动力学建模与分析

提出一种适用于空间太阳能电站的长期轨道动力学模型。以运行在地球静止轨道的Abacus型空间太阳能电站为对象,首先,为避免轨道倾角与偏心率为0产生的奇异,介绍并采用米兰科维奇矢量描述空间太阳电站的轨道动力学,依次建立影响其轨道的4种摄动模型,包括地球非球形引力摄动、日月引力摄动、太阳光压摄动以及微波反冲摄动。随后,进一步分析轨道摄动中的周期项与非周期项,采用平均法对摄动中的周期项进行平均化处理,建立基于米兰科维奇矢量的空间太阳能电站长期轨道动力学方程。最后,通过数值仿真与传统非平均法模型进行对比,以验证所提出平均化动力学模型的优势。     

编队飞行卫星自主相对导航算法研究

提出一种基于类GPS敏感器星间相对距离测量的编队飞行卫星相对位置、速度和姿态自主确定算法.在编队飞行卫星之间无相对速度测量时,利用两点相对轨道状态测量信息,建立相对轨道和姿态运动方程以及星间相对测量方程,推导了编队飞行卫星相对导航UKF(Unscented Kalman Filter)算法,估计其相对轨道和姿态等导航信息.并进行了数学仿真,仿真结果表明,该算法简单可靠,能够满足高精度编队飞行卫星相对导航要求.     

编队飞行卫星相对轨道确定方法研究

针对2颗卫星编队飞行的情形,研究了星间位置测量量为相对距离、方位角和俯仰角时的卫星相对轨道自主确定方法。首先根据C-W-Hill(Clo-hessy-Wiltshire-Hill)方程得到卫星运动的状态方程;然后基于星间测量量确定观测方程,使用2种方法进行相对位置、相对速度参数的估计,实现对卫星相对轨道的确定;最后对这2种方法进行仿真,结果证明了它们的可行性。     

椭圆轨道编队构型保持控制方法研究

针对椭圆参考轨道的编队构型保持控制系统,以对地等张角绕飞编队为背景设计了相对轨道模型预测控制算法.首先,基于哈密尔顿-雅克比方程,推导了一组包含项摄动的相对运动模型.在此模型的基础上,结合具体的对地等张角编队任务,提出了一种构型保持的在线滚动优化的闭环预测控制算法,并将模型预测优化问题转换为在线求解二次规划问题,该算法能够较好地控制存在状态约束、控制约束等各种约束控制问题.最后,通过数值仿真验证该算法的有效性.     

Effect of electromagnetic force and anode gas on electrolyte flow in aluminum electrolysis cell

1 INTRODUCTIONThe movement of electrolyte has a veryi mpor-tant influence on the process of aluminumelectrol-ysis[1]. On one hand,the movement of electrolytecan help anode gas release ,accelerate the dissolu-tion and diffusion of alumina and eli minate temper-ature gradient of electrolyte ,and enhances the heattransfer between electrolyte and the freeze . Ontheother hand,the movement of electrolyte can makealuminumfluid fluctuate , causing aluminum cellsto unstably operate and re-oxidation…     

地球自转与扁率对导弹射程偏差影响研究

针对地球扁率对远程导弹射程的影响,本文以惯性空间为基准,建立弹道导弹主动段在发射惯性坐标系中的运动方程,并假设地球为均质球体,在极坐标系中建立导弹被动飞行段弹道方程,通过简化公式,对地球自转和地球扁率对导弹射程偏差的影响进行了计算,并通过多条弹道进行仿真分析,仿真结果表明,地球扁率对导弹射程偏差的影响比单独考虑地球自转时显著增加,因此,计算大射程导弹射程及预测落点偏差时,必须考虑地球自转及扁率的影响,否则误差较大。该研究对提高导弹的命中精度意义重大。     

超空泡航行体加速段控制设计

为研究超空泡航行体在加速阶段动力学建模及稳定控制设计问题,根据空泡截面独立膨胀原理研究了空泡形态及其轴线的偏移,并考虑了空泡记忆效应、重力、空化器定向效应及航行体攻角的影响.采用细长体理论计算了超空泡航行体各区域的流体动力,建立超空泡航行体加速段纵平面内运动数学模型,设计了基于输入输出精确线性化的深度跟踪控制器,并对此进行数学仿真.仿真结果表明:控制器跟踪效果良好;滑行力在极短时间内变为零,有利于提高航行体的稳定性及减小部分沾湿区的摩擦阻力.     

考虑渗流效应下基坑水土压力计算的新方法

用经典的土力学理论计算基坑支护结构上的水土压力时,由于没有考虑地下水渗流对基坑土压力的影响,造成计算所得数值和实测值相差较大，针对该原因,提出了同时考虑作用在水体上的黏滞力和作用在土体上的渗透力，建立微分平衡方程,求解得到计算新公式,它不但能够解释 “水土分算”的微观机理，而且证明了渗透力和黏滞力是分别作用在土体和水体上的一对作用力和反作用力,得到黏滞力和静孔隙水压力与土中的水的重力是一对平衡力的重要结论.通过算例计算表明，计算结果比较接近实测量.该方法对均质成层基坑工程，边坡工程均适用.     

超空泡高速航行体动力学建模与控制设计

为了研究超空泡航行体的动力学建模和控制问题,根据空泡膨胀独立性原理,研究了空泡的记忆效应及其对空泡形态的影响,详细计算了超空泡航行体各部分所受的流体动力,计算过程中还考虑了空化器的定向效应和空泡尾部的上飘变形,研究了航行过程中尾翼效率变化规律,建立了超空泡航行体非线性动力学模型.设计了基于输入输出精确线性化的鲁棒极点配置控制器,深度跟踪性能较好,不足之处是控制输入饱和问题和滑行力的不利影响.为解决输入饱和问题,设计了预测控制方法并通过约束航行体尾部和空泡壁的距离使尾部不与空泡壁相接触,避免了滑行力的出现,有利于减少摩擦阻力,提高了航行体的运动稳定性.     

Atmospheric density determination using high-accuracy satellite GPS data

Atmospheric drag is the main source of error in the determination and prediction of the orbit of low Earth orbit(LEO) satellites;however, empirical models that are used to account for this often have density errors of around 15%-30%. Atmospheric density determination has thus become an important topic for researchers. Based on the relationship between the atmospheric drag force and the decay of the semi-major axis of the orbit, we derived atmospheric density along the trajectory of challenging mini-satellite payload(CHAMP) satellite with its rapid science orbit(RSO) data. Three primary parameters—the ratio of cross-sectional area to mass, the drag coefficient, and the decay of the semi-major axis caused by atmospheric drag—were calculated. We also analyse the source of the error and made a comparison between the GPS-derived and reference density. The result for December 2, 2008,showed that the mean error of the GPS-derived density could be decreased from 29.21% to 9.20%, if the time span adopted for the process of computation was increased from 10 min to 50 min. The result for the entire month of December indicated that a density precision of 10% could be achieved, when the time span meets the condition that the amplitude of the decay of the semi-major axis is much greater than its standard deviation.     

基坑侧向压力的研究

地下结构侧向水土压力一般只计算土压力和静水压力的作用,没有考虑渗流对基坑土压力的作用,造成计算所得数值和实测值相差较大,在渗流作用下,渗流力使土的有效应力大小发生改变,从而影响土的抗剪强度。通过考虑作用在水体上的阻碍力和作用在土体上的渗透力,建立平衡方程,求解方程得到新计算公式,它符合水土分开计算的力学原理,建立了阻碍力和水压力相互作用方程。该方法对基坑工程的计算结果与实测值相差不大。     

Optimal Release Control of Companion Satellite System Using Electromagnetic Forces

Electromagnetic forces generated by the inter-action of component satellites can be used to release companion satellites. Optimal release trajectories for companion satellite system using inter-electromagnetic forces were investigated. Firstly, nonlinear relative motion dynamic equations of a two-craft electromagnetic companion satellite system were derived in spatial polar coordinates. Then principles of electromagnetic satellite formation flying were introduced. Secondly, the characteristics of the electromagnetic companion satellites release were analyzed and optimal release trajectories of companion satellites using electromagnetic forces were obtained using Gauss pseudospectral method. Three performance criteria were chosen as minimum time, minimum acceleration of the separation distance and minimum control acceleration. Finally, three release examples including expansion along separation distance, rotation in orbital plane and stable formation reconfiguration were given to demonstrate the feasibility of this method. Results indicated that the release trajectories can converge to optimal solutions effectively and the concept of release companion satellites using electromagnetic forces is practicable.