地球J_2摄动下卫星编队飞行自主相对定轨研究

卫星编队飞行自主相对定轨作为实现编队队形保持和控制的前提,是编队任务必须解决的关键技术之一.设计了一种应用于卫星编队的自主相对轨道确定方案,不同于目前广泛采用的C-W方程,采用了包含摄动影响的相对运动方程的解析表达式描述编队飞行,使得模型的精度有了很大提高.利用星间距离信息和方位信息作为观测量,设计扩展卡尔曼滤波器实现环绕星相对轨道的自主确定,仿真结果表明使用本方案得到的定轨精度比采用C-W方程提高一个数量级,验证了这种导航方案的有效性,为实现编队飞行卫星高精度自主相对定轨提供了一个有效的方案.     

编队飞行卫星自主相对定轨研究

卫星编队飞行相对轨道自主确定作为实现队形保持和控制的前提,是编队任务必须解决的关键技术问题.根据C-W方程的解析解描述编队卫星间的相对运动规律,选取星间距离信息与方位信息作为观测量,针对卫星编队飞行自主导航系统对精确性和实时性的要求,用超球面分布采样点变换(Spherical Simplex Unscented Transformation,SSUT)和Unscented卡尔曼滤波(UKF)相结合,提出了SSUT的UKF(SSUKF)导航滤波算法.由于SSUT减少了采样点个数,在保证滤波精度和标准UKF相当的条件下减轻了计算负担,完成了卫星编队相对轨道状态的自主确定,并结合仿真的轨道数据和测量数据进行了仿真,仿真结果说明实现了卫星编队优化的有效性和实时性.     

卫星编队飞行相对轨道的确定

卫星之间相对轨道的确定对于多颗卫星编队飞行的控制和任务是十分重要的，结合空间圆形的编队飞行星座，本文给出了描述卫星近距离运动的C-W方程，讨论了空间圆形的编队卫星星座的构成，进而设定了利用激光仪测量星间位置矢量，并设计了Kalman滤波器来实现相对轨道的确定，分析和仿真结果表明，Kalman滤波器能够有效提高相对位置确定精度并给出相对速度的高精度估计。     

卫星编队相对动力学方程数值解法

随着卫星技术的迅速发展,编队飞行技术得到了广泛的应用,而相对动力学数学精确模型是卫星编队飞行首先要解决的问题.为了保证卫星飞行保持稳定轨道,按Hill方程的圆轨道编队设计方法应用于椭圆轨道编队设计中,分析了相对动力学方程的精确模型.在满足椭圆轨道编队周期性运动的一般性初始化条件基础上,采用椭圆轨道编队相对动力学方程中周期解的要求,提出了一种新的数值解法.通过仿真,利用STK仿真工具,得到主从卫星的相对位置变化曲线,并对误差进行了分析,进而验证了方法的有效性和可行性.     

应用控制系统设计工具箱PIMCSD求解卫星编队重构问题

利用线性时变系统终端约束最优控制方法,为椭圆轨道卫星编队的队形重构控制问题设计了均衡耗能最优控制器.由于描述椭圆轨道卫星编队相对运动的Lawden方程是时变方程,给卫星编队重构的最优控制器设计带来一定的困难.利用基于精细积分算法的控制系统设计工具箱-PIMCSD进行系统设计,求解卫星编队重构所需的时变最优反馈控制律和前馈控制律,最后给出了由三颗卫星组成的编队队形重构控制仿真计算结果.     

卫星编队长期保持与控制比较研究

卫星编队飞行的难点之一是在复杂干扰力环境下控制队形.近圆轨道,编队控制充分考虑了J_2摄动等各种干扰对相对轨道构形的影响.以空间二体运动的Hill方程为基础建立相对运动动力学方程.分别采用基于线性二次调节器、李亚普诺夫理论以及零控脱靶量的方法设计了编队控制器,对干扰力作用下卫星编队长期保持的不同控制方法进行了比较研究,并对三种编队控制方法的控制精度、能量消耗进行了仿真分析.研究表明,对于编队的长期三种保持控制方法都是有效的,但基于零控脱靶量的编队控制方法更简单、性能好、实用性强,是一种较为理想的编队控制方法.     

卫星编队保持的初始化条件及仿真分析

规则化的卫星编队具有节省编队控制能量,保持椭圆轨道卫星编队,Hill方程有一定的局限性,为了解决上述问题,将T-H方程表示为参考轨道为真近角的显函数形式,推导出相对运动方程的解析解,并推导出满足卫星编队周期运动的初始化条件,虽然此条件能很好的稳定编队队形,但得到的实际编队轨道都是不规则的形状。为此,将重点对编队轨道规则形状的初始条件进行研究。仿真结果显示,规则化初始条件能很好地保持编队轨道形状规则。     

基于卫星编队的杆塔状态在线综合监测系统设计

为提升杆塔状态在线综合监测的精度,设计基于卫星编队的杆塔状态在线综合监测系统。基于卫星轨道动力学方程和卫星轨道编队方式,采用卫星编队定位技术定位杆塔物理位置,根据在线综合监测装置内置的倾角传感器,实时采集杆塔倾斜角数据,计算杆塔倾斜度,并向CMA传输计算数据,判断综合倾斜度是否超出阈值,在超出阈值时及时预警,并通过GP...     

椭圆轨道编队飞行的典型模态与构型保持控制方法

本文首先基于T—H方程推导了椭圆参考轨道编队飞行的周期性条件，讨论了椭圆参考轨道卫星编队飞行的典型模态，该模态是圆形参考轨道空间圆形模态的推广。然后论述了二阶带谐项(J2项)摄动对编队飞行构型保持的影响。最后，基于相平面法提出了一种编队飞行构型保持控制方法，该控制方法不是消极的抵消干扰的影响，而是积极的利用干扰的作用达到节约燃料并精确保持构型的目的。仿真表明，采用该控制方法可对椭圆参考轨道卫星编队构型进行有效的保持，卫星的相对位置保持精度可达到厘米量级。     

基于星载GPS卫星编队可视化仿真系统

针对研究星载GPS编队卫星自主导航算法及模型对编队的影响,为实际编队提高导航定位精度,结合数据库系统编制出了关于星载GPS编队卫星仿真系统。在分析卫星编队相对导航运动规律基础上,利用OPENGL及数据库技术对星载GPS空间圆编队,车轮式编队和水平圆编队进行了三维可视化仿真,给出了设计过程。考虑到编队卫星需要接收GPS信号进行自主导航,利用GPS星座可见性分析方法,实现星载GPS编队卫星的GPS星座选择。三维可视化仿真结合STK进行了验证。仿真系统已作为编队方案设计、编队飞行相对导航仿真算法设计的基础工具,还为将来各种航天器编队飞行应用技术及航天器对接技术提供可靠的试验基础数据和技术依据。     

编队飞行构形设计初始化及稳定性分析

目前,随着小卫星技术的迅速发展,编队飞行技术得到了广泛的应用,而构形设计是卫星编队飞行首先要解决的问题.文中首先对几种编队飞行构形设计方法的适用性进行了比较,并给出基于C-W方程的构形设计在几种典型构形下的初始化条件;然后对在此初始条件下的构形进行稳定性分析,并给出了改进方法;同时考虑了J2项影响下的队形的稳定性,用平根数法对构形初始化条件进行了优化;最后用算例比较了优化前后的队形稳定性.结果表明通过优化稳定性得到了较大的改善.     

基于UWB辅助的多无人机惯导定位误差校正方法

针对卫星导航拒止的复杂环境下多无人机编队飞行只依赖惯性导航无法长时间导航的问题,提出一种超宽带（Ultra Wide Band,UWB）辅助的惯导定位误差校正方法。给出UWB测距原理的同时建立了无人机机体坐标系下的惯导相对距离解算模型;在惯导误差模型的基础上,以惯导误差和UWB测距信息分别作为状态量和观测量,设计出惯导误差校正的扩展卡尔曼滤波模型;以两架无人机为例对算法进行仿真验证,仿真结果表明相较于纯惯导定位,该方法在东北天三个方向的最大定位误差不超过1 m,速度均方根误差值不超过0.01 m/s,很好地抑制了惯导系统速度和位置的误差发散,为解决无人机编队在卫星拒止环境中的定位问题提供参考思路。     

编队星载GNSS观测数据的建模与仿真

编队星载GNSS观测数据的建模仿真是编队卫星研发任务中的关键问题之一.结合编队卫星构形设计方法、导航卫星可见性分析、几何距离生成以及观测误差的特性分析,建立了观测数据仿真模型.基于SIX的三维图形显示、精确的卫星轨道模型和数据报告等功能,以及Matlab便于数据操作和算法开发的特点,搭建了观测数据仿真平台,获取了编队星载GNSS接收机的观测数据.给出了仿真设计框架与具体流程,并通过仿真实例给出了观测数据仿真结果及其可信性验证.     

Huber-based滤波及其在相对导航问题中的应用

研究无人机编队INS/Vision相对导航方法,给出了相对惯导方程的推导过程和相对视线矢量测量方法.应用Huber-based滤波融合相对惯导信息和相对视线矢量信息,估计出无人机之间的相对姿态、相对位置和相对速度.Huber-based滤波是一种混合l1和l2范数最小估计,对受到污染的高斯分布噪声具有一定的鲁棒性.最后通过仿真验证了该相对导航方法的有效性.     

无地面基准的相对导航系统设计与仿真

在无地面基准的机群编队飞行JTIDS/INS组合导航系统中,采用新的相对坐标系建立方法克服了绝对位置偏差对相对导航定位精度的影响,同时在原有的TOA观测量的基础上增加了DOA观测量,采用UKF非线性滤波算法进行系统滤波器设计,进一步提高了相对定位精度,并设计了JTIDS/INS组合导航仿真软件平台.仿真结果表明,该方法在收敛速度和定位精度方面都有很好的性能.     

主从式编队卫星相对导航方法研究

编队卫星间精确的相对位置和速度信息的获取直接影响主从式编队卫星任务的完成.针对传统的集中式滤波算法在实时性和可靠性上的不足,提出利用联邦滤波算法对差分GPS和微波雷达信息进行融合,获得了满足编队任务要求的星间相对导航信息.其中差分GPS导航信息根据主从卫星的GPS测量信息获得;微波雷达通过测量卫星间的相对距离和角度来估算相对位置和速度.仿真结果表明,联邦滤波算法结合了差分GPS和微波雷达的优点,克服单一导航设备可能出现大误差的缺点,有效提高了测量精度,对主从式编队卫星完成飞行任务具有重要意义.     

基于红外标志灯的无人机视觉编队技术研究

利用视觉进行无人机编队飞行是协同编队飞行中一个新的应用。针对通用的GPS/INS导航系统信号丢失和大国垄断的局限性,提出了一种基于红外标志灯的视觉编队方法,给出了红外LED作为标志灯的可行性分析,并对获取长机位置和姿态信息的LHM算法加以改进,结合最小二乘图像匹配算法的思想提出了LHM-LSIM算法,在图像处理中加以应用,最后通过仿真实验证明该算法的可行性与正确性。