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。     

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.     

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.     

椭圆轨道编队飞行的构形变化控制方法

本文首先推导了椭圆轨道编队的一些典型构形模态，指出椭圆轨道卫星编队的模态不同于圆轨道的构形模态，是极为丰富的。然后，基于T—H方程的解析解，推导了副星在沿航向常值推力作用下的椭圆轨道编队的构形变化控制方法。本文推导的构形变化控制方法，通过合理的选择控制量的作用时刻，可达到大量节约燃料的目的。最后，给出仿真算例。     

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.     

无人机编队队形保持变换控制器设计

研究无人机编队队形保持变换的控制设计问题.由于控制系统队形跟踪应保证姿态的稳定性,针对两架无人机在“长机-僚机”编队结构中的左菱形编队飞行控制系统,为了有效控制飞行队形,保持变换,提出了根据编队飞行的几何关系推导编队相对运动学方程,结合无人机的自动驾驶仪模型建立了相应的编队飞行线性化数学模型.采用PID控制方法分别对速度、航向和高度设计了一种能通过控制编队间距实现队形变换的三维编队队形保持变换的控制器,并进行仿真.仿真结果表明所设计的控制器能够有效地控制无人机编队,在飞行过程中可以稳定地保持队形,并能根据任务要求合理进行编队,并无碰撞,为设计提供了依据.     

空间编队飞行—分布式航天器系统开发了GPS的新功能

本文阐明：GPS测量方案和技术不断取得进展，业已开发出能对航天器编队飞行任务进行精确定位的GPS方案，从飞行高度高达30000km(超过GPS星座运行轨道的高度）的卫星上取得了初步的肯定结果，GPS将能充当一大类多个卫星编队飞行任务的导航系统，这将使未来空间科学研究发生革命。     

基于STK的编队飞行队形保持控制及仿真

小卫星编队飞行是近年来各个国家航天领域研究的重点,而编队飞行队形的保持控制是其中的一个重要方面.主要介绍了一种基于STK的编队飞行队形保持控制仿真实现方法.控制算法采用了基于Hill方程动力学模型的线性二次型最优控制.利用STK中的嵌入式脚本(Plug-in),将由控制算法得到的队形保持控制力,添加到STK轨道计算的力学模型中,从而进行队形保持控制.通过对有一定初始构型偏差的卫星编队飞行进行仿真,控制结果表明:控制后的卫星编队队形误差可控制在1m之内,最高精度可达到厘米级.从而验证了此控制方法及仿真实现方法的可行性.     

洛仑兹力太阳同步轨道的分析与仿真

人造卫星由于带静电而在地球磁场中受到洛仑兹力。调节卫星的带电量可以形成特殊的太阳同步轨道,不受轨道高度和倾角的约束。利用高斯方程推导了轨道根数的长期变化,考虑了地球磁场与自转轴不重合以及随地球旋转的效应。对洛仑兹力太阳同步轨道进行了分析,为满足任意轨道高度和倾角组合的太阳同步轨道对卫星带电量的需求,当轨道倾角小于10度和大于170度,保持洛仑兹力太阳同步轨道所需的带电量在地球每个自转周期内某一时刻会出现无穷大的奇点。设计了倾角为90度的理想极轨轨道,轨道节线进动速率可以通过带电量来调节,实现了卫星轨道降交点地方时的有序控制,从而能够对目标区域实现连续地方时变化的观测,有利于战场实时需要。最后,利用数值仿真对结果的准确性进行了验证。     

一种用于MEO/LEO卫星网络管理的分簇算法

卫星网络是一种新型的无线网络形式,可以看作是一种特殊的ad hoc网络。但由于其本身具有的特殊性质,现有的无线网络管理协议不能高效地应用于卫星网络中。通过引入ad hoc网络中分簇的概念,提出了一种适用于MEO/LEO卫星网络管理的基于地理信息辅助的分簇算法。簇首及管理员由MEO卫星担任,管理代理设置在LEO卫星之上。LEO卫星轨道所处的外层空间被划分成移动的分区,根据结点的密度分区合并为簇,然后在簇内根据组合加权方式选择一个MEO结点作为簇首。该算法考虑了不同层卫星之间的相对移动性及卫星运动的规律性,明确了管理员及管理代理的设置位置,为卫星网络管理提供了一种有价值的研究方法。     

Near real-time geocoding of SAR imagery with orbit error removal

When utilizing knowledge of the spacecraft trajectory for near real-time geocoding of Synthetic Aperture Radar (SAR) images, the main problem is that predicted satellite orbits have to be used, which may be in error by several kilometres. As part of the development of a Dutch autonomous mobile ground station to receive and process satellite SAR data, a method has been developed that removes the effects of orbit errors from the computed azimuth and slant-range coordinates, whilst maintaining the real-time character. Results show that predicted orbits can be used to geocode SAR imagery in near real time with the same accuracy as when using precise orbits, i.e. 30–40m.     

全球任意区域GPS定位环境分析

全球定位系统（Global Positioning System，GPS）具有导航定位的功能，近年来应用越来越广泛。带有定位甚至导航功能的GPS接收机、手机、PDA等移动设备也逐渐走向普及，但是应用GPS进行导航定位受到时间和空间的限制。该文通过对GPS卫星星座和GPS卫星运行情况的研究，推导出理想模型下卫星轨道方程和卫星位置与时间的关系公式；利用Visual C＋＋编程，模拟地球上任意地点，在不同时刻所能接收到的GPS卫星信号的情况，这样就实现了全球任意区域GPS定位环境分析，特别是应用于大峡谷、盆地、河谷等地形的定位环境分析。     

基于Arena的卫星侦察地面系统仿真

侦察卫星地面应用系统仿真的目的,就是为了模拟控制数据的形成过程,以及有效载荷数据从接收、处理到按用户需要形成情报产品的流程,通过模拟系统的控制流和数据流,找出系统瓶颈并优化系统流程.通过讨论卫星侦察地面系统的组成和功能,分析系统工作原理,提出了将系统流程分成用户服务流程和数据接收处理流程两部分的思想.基于离散事件仿真软件Arena,设计并实现了卫星侦察地面系统的用户服务流程和数据接收处理流程.通过仿真结果分析,找出了系统瓶颈所在,提出了系统改进意见.     

Some orbital test problems

Problems with periodic solutions are convenient as test problems for differential equation software because of the ease with which the accuracy of computed results can be assessed. Even the motion of a single planet around a heavy sun is useful as a test problem because orbits of varying eccentricity make varying demands on numerical software. The orbits discussed here are based on this same simple problem but with the essential difference that the distance from the planet to the sun is based on the norm ‖ . ‖_∞ rather than the usual Euclidean norm ‖ . ‖₂. Specifically, we explore orbits based on each of the differential equation systems $$X = \nabla \left( {\frac{1}{{\left\| X \right\|}}} \right)$$ and $$X = - \frac{1}{{\left\| X \right\|^3 }}.$$ A feature of both these systems, when the ‖ . ‖_∞ norm is used, is the occurrence of discontinuities in the higher derivatives of the solution. This is why they have a potential value as difficult test problems. With this application in mind, some periodic solutions are identified. For an arbitrary choice of norm, the second of the two differential equation systems considered in this paper is shown to possess periodic orbits.     

Determination of the optimum field of view and spacing between observations for a satellite — borne scanning radiometer observing the stratosphere

Calculations have been made of the optimum size of the field of view and spacing between observations to be made by a satellite—borne infrared scanning radiometer observing the stratosphere as a function of instrumental noise level. It is shown that unavoidably the TIROS N Stratospheric Sounding Unit does not use the optimum size and spacing of the fields of view, but it is suggested that taking means of $\text{2 × 2}$ groups of observations after they have been made will result in an improved representation of the radiance field. Although the calculations described in this paper have been made specifically for a radiometer in an orbit similar to that planned for the TIROS N spacecraft, the principle of the method is general and can be adopted for radiometers in different orbits.     

接近多颗Walker星座卫星的轨道选择和优化

由于Walker星座的结构特性,通过航天器轨道设计可实现航天器对多颗非共轨Walker星座卫星的近距离接近.在距离约束条件下,从理论上分析了航天器平台近距离接近Walker星座卫星时两者之间的时空关系,重点分析了角度关系,特别是分析了航天器接近星座卫星过程中的方位角变化规律.通过轨道相位的调整,对航天器平台轨道进行了优化;以此为基础对航天器轨道进行了选择和优化设计,结果表明:在百公里级的距离内,航天器在接近Walker星座卫星过程中能找到满足较高角度控制率要求的时间区间.最后给出仿真算例.     

Surface subsidence and uplift above a headrace tunnel in metamorphic basement rocks of the Swiss Alps as detected by satellite SAR interferometry

Surface subsidence associated with the construction of a headrace tunnel in the Swiss Alps at more than 2000 m above sea level (a.s.l.) has been detected at two locations with satellite differential Synthetic Aperture Radar (SAR) interferometry. At the first location, a subsidence trough of about 4 cm in the satellite line-of-sight direction following the headrace tunnel axes has been measured between August 1995 and August 1996. Similar values from SAR data of ascending and descending orbits indicate displacements in the vertical direction of the movement. In the second case, a symmetric cone of depression with a maximum displacement of about 4 cm between 1995 and 1997 has been observed above the tunnel. Differences in the results from satellite SAR data of ascending and descending orbits indicate that the direction of displacement in this second case was not entirely vertical. Large-scale consolidation associated with pore-pressure reduction in the rock mass arising from tunnel drainage at about 200-400 m depth beneath the topographical surface is believed to be the contributing mechanism (Zangerl et al., 2008a, 2008b). Evidence for this process is based on pore pressure recordings in nearby deep wells. In both areas, the subsidence was followed by a small uplift of about one centimeter between 1997 and 1999, after the tunnel was cased with permeable concrete segments. This partial recovery is also visible in pore pressure records and can be related to the elastic components of rock mass deformation.