磁控小卫星编队飞行的非线性控制

磁控小卫星编队飞行利用磁力和磁力矩对编队小卫星进行位姿调控,不受星载燃料的限制,同时还避免了由推进器羽流造成的光学干扰和精密设备污染。基于磁力研究编队小卫星的相对运动控制问题,介绍了编队卫星的磁力模型和相对运动模型,采用饱和函数方法给出了非线性控制律,利用李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的稳定性,最后,利用该方法对两星编队磁力控制进行仿真验证,结果表明：完全依靠电磁力编队卫星是可控的。     

现代小卫星技术与数字地球

对现代小卫星的基本概念及其技术特点进行了探讨,分析了国内外小卫星的发展现状和水平,阐述了对地观测小卫星、小卫星星座以及编队飞行在数字地球领域中的广泛应用前景。     

小卫星编队飞行的自主控制与规划调度

本文针对小卫星编队飞行研究的重点问题,从功能分配的角度对小卫星编队飞行的自主控制系统进行设计,并针对小卫星编队飞行的规划和调度采用基于模型的智能推理方式进行工作这一特点,研究了小卫星编队飞行的规划和调度系统的体系结构。     

一对纳米卫星编队飞行控制的分析

本文针对两颗纳米卫星受到控制和状态约束、且存在有界扰动和测量误差的情况下，分析并提出了它们的稳定和机动控制的可行方法。本主题是当前的一个热门研究领域(参见文献1—6)，这些文章利用了多种配置和算法。目前实现约束控制的方法不多。本文采用改进后的时间最优鲁棒控制方法，可降低能量消耗。文献7介绍的受约束的时间最优控制问题的解要求计算鲁棒可控性集合Xi(Xi是在存在扰动的情况下，可以在i步时间内将状态控制到目标集合B^t的状态集合)。在大部分实际应用中，这些集合太复杂。在本文中，我们利用一种有效的新方法[广义钻石(Diamond)方法]计算可控性集合的内部近似值，以回避该问题的复杂性。然后用这些内部近似值为这个约束系统提供有效的非线形控制，其性能损失很小。     

卫星编队飞行的自主控制体系结构和规划调度算法研究

本文研究了隐藏主星（Hiddenleader）的卫星编队飞行的自主控制体系结构，选择遗传算法作为卫星编队的规划调度算法，进行了仿真模拟和数值实验。     

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。     

基于HLA的小卫星编队飞行分布式仿真

小卫星编队飞行技术的应用需要突破构形保持、姿态协同等复杂的关键技术难题。在一定逼近度下建立地面仿真环境,既可用于测试与验证复杂关键技术解决方案的有效性和可行性,又大大降低了系统研制代价和新技术应用的风险性。根据HLA(高层体系结构)分布式仿真技术,设计实现了小卫星编队飞行分布式仿真平台。仿真平台包含小卫星编队构形维持控制、重构控制和小卫星姿态指向一致控制等模块,具有对仿真结果的统计分析能力。同时以成像高度计三星编队为例,利用仿真平台进行了数字仿真,验证了该平台的可行性以及小卫星编队飞行构形维持和姿态指向一致控制模块的有效性。     

小卫星编队飞行姿态协同控制及仿真

针对具体的对地定向三星编队成像高度计的姿态协同控制问题,基于四元素方法进行了姿态控制系统设计和数字仿真研究.首先定义了坐标系及姿态误差变量.接着设计了一种非线性姿态跟踪控制器,并运用Lyapunov稳定性理论证明了该控制律的全局稳定性.最后通过基于Matlab的数值仿真和基于STK的可视化,进一步验证了该控制律的稳定性和有效性.数值仿真结果表明利用这种方法可以保证编队中的从星时刻跟踪目标姿态.也就是能够实现合成孔径干涉测量的任务目标.     

编队飞行卫星覆盖特性研究

在单颗卫星覆盖特性的基础上给出编队飞行卫星覆盖特性的算法及其具体实现。结果表明,此算法简单、实用,适合短期预报。     

卫星编队飞行动力学仿真及其应用

由若干颗小卫星编队飞行组成一个虚拟卫星,其功能相当或超过一颗大卫星.这将开拓小卫星一个完全崭新的应用领域.文章首先论述编队飞行概念和应用,其次研究轨道动力学.系统地研究编队飞行三种动力学模型,最后进行电子侦察卫星和区域导航系统两个型号数学仿真,分析研究各种数学模型的精度和它们的应用场合.     

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。     

卫星编队飞行仿真中STK-RTI中间件的研究

卫星在编队飞行任务分析与可视化动态场景仿真,能使多颗卫星保持相对协同工作,但与外界交互集成能力较差。为了能够成为HLA(高层体系结构)的联邦成员,设计并实现了连接STK与RTI的中间件。通过相关分析设计了STK-RTI中间件的功能结构,采用服务转换机制建立了STK/Connect模块功能函数和RTI标准服务之间的映射关系,实现了STK和其它联邦成员之间的交互,并在编队飞行仿真中对中间件的可行性进行了验证,拓展了STK的使用范围。     

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.     

无需角速度的含通信时延卫星编队飞行自适应姿态协同跟踪控制

针对编队卫星姿态协同跟踪控制中存在相异星间通信时变时间延迟的问题,提出了采用一阶滤波器来设计含通信时延的输出反馈控制器, 并通过引入参数在线自适应辨识技术,以实现利用卫星姿态误差信息来实现对卫星的转动惯量进行在线估计.对于系统稳定性的分析, 通过构造一新型Lyapunov函数,证明该控制器不仅能够有效地克服通信时间延迟对编队系统协同性的影响,同时可论证无需角速度信息反馈的闭环系统的有界稳定性.最后,将提出的算法应用于只需要角速度信息反馈的卫星编队飞行的协同控制,仿真结果表明该方法的可行性与有效性,具有实际的应用前景.     

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.     

区域侦察小卫星星座设计与仿真

为满足全球观测需求,传统遥感卫星星座通常采用玫瑰星座或Ω星座,而此类星座无法满足对特定区域进行连续重复观测的需求,且星座本身无法完成观测信息的及时回传。针对上述问题,设计了利用MEO中继卫星的太阳同步回归轨道模型和共地面轨迹轨道模型。通过仿真分析两种轨道模型,发现同步太阳轨道星座可以提供独特的周期重复观察特性,但同样高度下的太阳同步轨道星座对特定区域连续覆盖性能远远低于共轨迹星座。研究证明了基于MEO中继卫星的共地面轨迹星座可以满足对地连续重复观测及实时回传信息的需求。     

无人机编队飞行导航方法及其仿真研究

研究无人机导航优化编队问题,编队各成员的高精度定位是无人机协同编队飞行的关键技术和难点.为了提高编队定位的精度,提出了一种长机组合导航和长/僚机相对测量的编队成员导航定位方法,在编队导航系统模型的基础上,采用卡尔曼滤波原理估计出各成员的惯导误差,经校正后得到精确的导航信息,并进行仿真.仿真结果表明,改进的方法对所设计的长机与僚机的导航定位是完全可行的,编队各成员均获得较高的测地导航精度.     

基于STK的电磁航天器编队飞行仿真研究

电磁航天器编队飞行能有效降低发射成本并延长编队在轨寿命,具有广阔的发展前景.针对其强非线性和姿轨耦合的特点,采用STK软件对电磁航天器编队飞行进行仿真研究.首先对电磁航天器编队飞行基本原理进行分析,给出了轨道姿态动力学模型及解耦控制方案.然后设计了仿真系统的结构框架,解决了电磁航天器三维建模、轨道和姿态数据转换、可视化实现等关键技术,还讨论了STK接口规范.最后采用搭建的仿真系统对电磁航天器编队重构进行了仿真研究.仿真结果表明,电磁航天器编队控制效果良好,仿真系统能够满足电磁航天器编队飞行仿真研究的需要,对其它类型航天器编队仿真研究具有一定的指导意义.     

验证编队飞行控制系统设计：GRACE项目的经验

引力测量和气候试验(GRACE)飞行任务将在为期5年的任务周期内每隔15～30天产生一个地球引力场的新模型，其模型精度是史无前例的。GRACE任务要求两颗卫星间隔100～500km，以一前一后的队形编队飞行。该任务将采用两颗自带仪器的共轨卫星编队飞行。地球引力场的变化表现为对2颗共轨卫星轨道摄动之差。利用微米级精度的高频星间测量链路测量两颗卫星之间距离的变化。