Spacecraft rendezvous trajectory safety quantitative performance index eliminating probability dilution

In view of the probability dilution problem of the existing quantitative indexes of rendezvous trajectory safety performance using collision probability,this paper proposes a new quantitative index of rendezvous trajectory safety performance by well combining collision probability with warning threshold.The proposed new index increases monotonously as the position errors of the chaser spacecraft increase,therefore it can effectively overcome the problems of the reduction in the largest performance value and the advancement in the most dangerous time induced by the probability dilution.The proposed new index is applied to the safety design of close range rendezvous missions.The mission’s safety requirements for initial navigation precision and the safe region of initial and final keeping points’positions with a certain navigation precision are analyzed,and several valuable conclusions about the relation between position navigation precision and velocity navigation precision as well as the relation between keeping points’positions and navigation precision are obtained.     

航天器椭圆轨道自主交会的鲁棒参数化设计

提出了一种在缺少绝对轨道信息时航天器椭圆轨道自主交会的鲁棒参数化设计方法.利用带有时变参数的Lawden方程描述椭圆轨道下追踪航天器与目标航天器的相对运动关系.在假设时变参数无法获得的情况下,将方程中的时变参数单独归类建立椭圆交会的不确定模型,然后基于鲁棒参数化方法,采用特征结构配置和模型参考跟踪理论设计航天器椭圆轨道...     

连续小推力航天器轨道交会问题的制导律设计

使用高比冲的小推力推进系统为执行机构,设计空间交会问题的燃料最优时间连续制导律.首先给出轨道交会问题的数学模型,并给出最优控制问题的目标函数和约束条件;然后利用直接法将控制变量离散化,通过参数寻优得到对应燃料最优的控制变量参数和转移时间常数;最后针对点火时刻误差问题,分析了实际轨迹与名义最优轨迹的偏差,并利用微分代数工具求取部分控制变量的修正值,以保证航天器满足轨道交会的终端位置约束.     

同平面高低地球轨道气动辅助空间交会

为了实现同平面气动辅助空间交会,首先分析了其必须满足的2个必要条件:轨道转移问题和调相问题。然后分析了同平面HEO-LEO霍曼轨道转移技术及其调相问题。最后通过应用最优控制理论,求解一个典型同平面高轨道向低轨道转移的最优轨迹,确定了OTV在大气作用阶段轨道相角的变化大小。进一步依据空间交会理论得到了同平面HEO-LEO气动辅助空间交会所必须满足的标准相角的计算公式,并分析了气动辅助空间交会的调相问题。最后将霍曼方法和气动辅助方法进行了比较,得出了气动辅助空间交会不但可以节省燃料,而且能够在合理的时间内实现空间交会的结论。     

远程交会的可交会区和追踪窗口集设计

文章研究了在时间和燃料约束下实现空间两异面椭圆轨道间远程交会的可交会区、初始目标区和追踪窗口集的确定方法。首先定义了远程交会中可交会区、初始目标区和追踪窗口集的概念。基于双脉冲Lambert交会理论,提出了两异面椭圆轨道间远程交会的可交会区等区域的确定方法;设计了基于Newton-Raphson方法的全局迭代搜索算法,实现了对不同交会时间条件下满足总脉冲约束的以上区域的确定。通过算例仿真,分析了以上区域大小和分布与约束条件之间的关系。结果表明该方法可以快速准确地确定远程交会任务中的可交会区和追踪窗口集,可用于评估交会任务的可行性、执行时机以及交会时间和能耗等,为航天器任务选择和设计提供参考依据。     

基于交会概念的最省燃料共面有限推力轨道转移方法

基于交会概念研究了卫星在平面内的最省燃料有限推力轨道转移问题，假设有一个飞行器已经在目标轨道上运动，此飞行器称为虚拟卫星，发动机推力大小为常值。方向可调。提供了适合于同平面轨道转移的卫星相对运动动力学模型，用Ｐｏｎｔｒｙａｇｉｎ极大值原理导出了最省燃料的推力控制策略，建立了状态和共轭状态的初始边界条件。     

空间交会对接中二航天器相对运动的精确计算模型

本文较详细地分析了航天器在空间所受的各种摄动力,得出了航天器空间轨道的精确计算模型,进而建立了空间交会对接中二航天器相对运动的精确计算模型。     

比例导引法在航天器交会中的应用

研究了航天器的比例导引交会制导规律．基于比例导引法的基本思想和交会时刻的约束条件，推导出脉冲式比例导引规律，这种导引规律较容易实现．仿真结果表明，具有较高的支会精度．     

椭圆轨道上在轨服务航天器绕飞轨道设计及控制

针对在轨服务航天器相对椭圆轨道目标器任务要求,提出了追踪器相对目标器进行绕飞的初始条件及考虑各种摄动情况下轨道保持的最优控制算法。通过对椭圆轨道时变相对线性化方程及解析解的详细分析,给出了追踪器进行绕飞的必要条件。进一步考虑到安全问题,给出了使目标器位于绕飞轨迹中心的条件,同时还进行了给定追踪器形状和距离的绕飞轨迹设计。考虑到实际绕飞中受到各种摄动的影响,结合最优控制理论设计了控制向量受限的离散LQR最优控制器,将追踪器控制在预定的绕飞轨迹中。文中设计了三个控制误差区域,将控制器作用在合理的偏差范围内,避免了因控制测量误差而消耗大量燃料。最后进行了仿真验证,结果表明,文中的设计方法和控制算法合理有效。     

常值径向推力加速度下航天器轨道运动特性研究

文章研究了航天器在常值连续径向推力加速度作用下的运动特性。首先,基于非开普勒轨道理论,在惯性坐标系中建立了连续推力作用下航天器的动力学模型,经过推导和分析得了出在常值径向推力加速度下轨道动量矩仍保持常值,但其能量发生变化的结论。同时针对初始轨道是椭圆轨道的一般情况,分析了航天器在连续常值径向推力作用下环绕地球运动的条件,推导给出了求解逃逸点临界加速度的方程组。最后,对椭圆初始轨道和圆初始轨道的情况分别进行了分析和求解,并以仿真曲线的形式给出了不同常值加速度下轨道变化特性以及逃逸点临界加速度随轨道参数变化的特性,为机动轨道设计提供了理论参考。     

一种基于引力场线性化的制导方法

文章针对航天器连续推力轨道机动过程中各种摄动误差的修正问题,提出了最优补偿系数的引力场线性化闭环制导方法。按照力的性质可将摄动力分为保守摄动力和非保守摄动力。通过对保守摄动力进行简化,给出了力的线性表达式,在此基础上基于引力场线性化方法,将惯性系下航天器受摄运动方程转化为线性形式,推导出了以摄动引起的位置偏差为反馈量的闭环制导加速度的表达式。之后考虑非保守摄动力(也即大气阻力),通过引入补偿系数,并利用遗传算法对补偿系数进行优化,得到修正的闭环制导加速度表达式。文中所提的制导方法可用于各种空间轨道机动过程中摄动误差的修正,以交会为例进行了仿真,结果表明修正后的轨道能够很好地跟踪理想轨道,且交会精度高。     

基于遗传算法的最优多脉冲交会轨道设计

为了解决燃料最省和时间-燃料组合最优的航天器轨道交会问题,采用遗传算法对最优多脉冲交会轨迹进行设计.把最优脉冲的幅值、方向和真近点角作为编码变量,根据最优交会问题的终端边界条件和必要条件来设计适应度函数.该方法分别用于最优双脉冲交会、具有初始滑行段的最优双脉冲交会、最优三脉冲交会和时间-燃料组合最优三脉冲交会四个仿真实例.将仿真结果与牛顿法求解的精确最优解比较,可以看出用遗传算法求解的最优解具有较高精度,证明了该方法的合理性和有效性.     

近距离跟踪指向空间非合作目标有限时间控制

追踪航天器在对空间非合作目标进行近距离跟踪与监视时,需要接近非合作目标并从特定方位保持对目标的指向与观测.针对非合作目标存在姿态翻滚以及未知轨道机动时追踪航天器保持近距离跟踪与指向的问题,在视线坐标系和体坐标系下分别建立了相对轨道和姿态的动力学方程,并构建了对轨道与姿态同步控制的六自由度模型,利用RBF神经网络对系统不确定性及未知的目标运动参数进行自适应估计和补偿,采用反步法思想设计控制器使追踪航天器在有限时间内收敛到期望的相对轨道和姿态并维持保持状态.进一步考虑控制输入饱和、死区等非线性特性,对控制律进行改进.改进后的控制算法可以有效地提高控制精度,仿真结果验证了控制对象模型和控制算法的有效性.     

三脉冲最优交会问题的解法

针对两航天器交会问题,研究了燃料最省的三脉冲交会方法。推导了存在端点滑行段和不存在端点滑行段两种三脉冲最优解的充要条件,并给出相应的解法。三脉冲最优解的求解采用多变量迭代的方法;对于存在端点滑行段的三脉冲最优解的求解,利用四脉冲最优解的对称性,减少迭代变量的数量,降低了计算量。通过数值仿真验证了本文解法的正确性和有效性。仿真结果的分析表明,对于给定的初始状态,在某些时间段内没有双脉冲和四脉冲最优解,只存在三脉冲最优解,而且三脉冲最优交会是一种对燃料和时间都比较合理的交会方法。     

Angles-only relative navigation in highly elliptical orbits

For angles-only relative navigation system only measures line-of-sight information,there are inherent problems in the ability to determine the range between Chaser and Target. Angles-only relative navigation is an attractive alternative for inspecting or rendezvous with noncooperative target,if adequate accuracy can be achieved. Angles-only relative navigation model considering J2 perturbation is presented for tracking and rendezvous with noncooperative target in highly elliptical orbit. Impulsive out-of-plane maneuvers of the Chaser are used to improve the navigation accuracy. The first impulse burns in cross-track directions to change the orbit inclination of the Chaser. The second impulse burns after one orbit period to change the orbit of the Chaser back. The simulation results show that the relative navigation system without maneuvers can’t correct the initial state errors,while impulsive out-ofplane maneuvers of the Chaser improves the navigation accuracy. Angles-only relative navigation with chaser vehicle maneuvers to improve observability is effective when the spacecrafts are in highly elliptical orbits.     

Spacecraft motion analysis about rapid rotating small body

0　INTRODUCTIONExploringsmallbodiessuchascometsandasteroidsisoneofthemostsophisticatedmissionscurrentlybeinginvestigatedindeepspaceexploration .Butinformationofasmallbodysuchasshape ,mass ,densitycompositionandrotationaldynamicislittleknown .Soit’sachallengetoanalysisthestabilityoforbitaroundasmallbody .NEARmissionofAPLandROSETTAplanofESAre quiredtoanalysisstabilityoforbitaroundasmallbody .Thisattractedalotofresearcherstostudyonthedynami calenvironment ,orbitalstablecharacterizati…     

考虑性能约束的航天器近距离悬停控制

本文主要研究了考虑预设性能的航天器交会对接中的近距离悬停控制问题.针对追踪航天器近距离悬停控制问题,首先基于追踪航天器的姿轨耦合模型设计了线性滑模控制器实现了近距离悬停任务.在此基础上,为对系统收敛过程中系统状态的暂态性能进行约束,设计了基于预设性能的滑模控制器.同时,为减少系统状态的收敛时间,针对预设性能中的性能函数...     

Ivar asteroid rendezvous mission system scenario and trajectory design

The asteroid exploration opportunities are searched and calculated with launch dates in 2006 to 2010, and with asteroid Ivar 1627 as the target, the spacecraft and its subsystems are designed and analyzed, and the transfer trajectory is designed using △VEGA technology for the asteroid rendezvous. The design results satisfied the energy requirements for small explorers.     

空间作战拦截最优轨道设计

本文通过建立航天器在空间作战的拦截模型,根据运动学的理论来设计航天器空间作战最优拦截轨道。应用拉格朗日极小值原理,以能量为目标函数,设计出最小能量入轨拦截(共面拦截)和最小能量碰撞拦截(异面拦截)两种拦截轨道,并通过算例进行了具体的计算和优化分析。最后比较两种拦截方式的优劣,根据现代战争的需要,可采用不同的拦截方案,如果需要实时拦截可采用碰撞拦截和区域拦截,如果需要高精度拦截且时间不限可采用入轨拦截。     

Design and control of multiple spacecraft formation flying in elliptical orbits

Spacecraft formation flying is an attractive new concept in international aeronautic fields because of its powerful functions and low cost. In this paper, the formation design and PD closed-loop control of spacecraft formation flying in elliptical orbits are discussed. Based on two-body relative dynamics, the true anomaly is applied as independent variable instead of the variable of time. Since the apogee is considered as the starting point, the six integrating constants are calculated. Therefore, the algebraic solution is obtained for the relative motion in elliptical orbits. Moreover, the formation design is presented and both circular formation and line formation are provided in terms of an algebraic solution. This paper also discusses the PD-closed loop control for precise formation control in elliptical orbits. In this pall, the error-type state equation is put forward and the linear quadratic regulator (LQR) method is used to calculate PD parameters. Though the gain matrix calculated from LQR is time-variable because the error-type state equation is time variable, the PD parameters are also considered as constants because of their small changes in simulation. Finally, taking circular formation as an example, the initial orbital elements are achieved for three secondary spacecraft. And the numerical simulation is analyzed under PD formation control with initial errors and J2 perturbation. The simulation results demonstrate the validity of PD closed-loop control scheme.