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单脉冲多目标星下点轨迹调整问题研究

单脉冲多目标星下点轨迹调整问题研究

面对快速响应任务的星下点轨迹机动优化问题研究

第十八届全国非线性振动暨第十五届全国非线性动力学和运动...

作者：林鑫张刚哈尔滨工业大学航天学院

星下点轨迹调整对于在轨卫星重调度完成快速响应对地观测任务具有重要意义。目前研究主要考虑利用单次或多次脉冲实现单个地面目标的过顶成像。为节省脉冲次数、降低测控资源,本文考虑在J2摄动下,通过施加单次共面脉冲,分别实现对单个... 详细信息

星下点轨迹调整对于在轨卫星重调度完成快速响应对地观测任务具有重要意义。目前研究主要考虑利用单次或多次脉冲实现单个地面目标的过顶成像。为节省脉冲次数、降低测控资源,本文考虑在J2摄动下,通过施加单次共面脉冲,分别实现对单个、两个以及三个地面目标点的应急观测任务。对于单目标点情况,在机动位置和脉冲方向均固定的条件下,基于春分点根数和高斯变分方程得到了脉冲幅值的解析近似解;当机动位置自由时,通过考虑半长轴短周期项的影响,有效降低星下点轨迹调整的误差;在机动位置和脉冲方向均自由的条件下,通过割线法求解得到燃料最优解。对于双目标情况,在机动位置固定时,基于单目标星下点轨迹调整策略,得到了双目标问题的解析近似解;在机动位置自由时,通过黄金分割法搜索得到燃料最优解。针对三目标情况,将问题转化为寻找仅关于机动位置的函数的零点问题,并通过黄金分割法和割线法进行求解。仿真结果表明本文提出的方法能使航天器在单脉冲下精确飞越多个地面目标,经度误差不超过0.04°。

关键词： J2摄动脉冲机动多目标星下点轨迹调整

来源： cnki会议评论

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面对快速响应任务的星下点轨迹机动优化问题研究

作者：张海洋哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来随着快速响应空间技术的不断发展和空间任务的不断增加,越来越多的研究集中于对现有在轨航天器进行任务规划,使其在完成现有工作任务的基础上去实现更大的剩余价值,或将在轨航天器应用于应急响应任务以减少地面组装发射的响应时... 详细信息

近年来随着快速响应空间技术的不断发展和空间任务的不断增加,越来越多的研究集中于对现有在轨航天器进行任务规划,使其在完成现有工作任务的基础上去实现更大的剩余价值,或将在轨航天器应用于应急响应任务以减少地面组装发射的响应时间。本文主要针对快速响应对地观测任务,通过对在轨航天器的星下点轨迹进行调整,实现任务重调度,完成对指定地面目标点的应急观测任务。根据航天器机动方式的不同,大致可分为两方面:对于脉冲机动,主要研究脉冲幅值约束下在轨航天器星下点轨迹的可达范围,并在现有的燃料最优解析解的情况下,研究以响应时间为优化指标的脉冲解析解;对于连续小推力轨道机动,结合目前热门的形状拟合法,分别以燃料消耗和响应时间为优化指标,求解小推力星下点轨迹调整最优控制问题。本课题的具体研究内容如下:对于星下点轨迹可达范围问题,在J摄动的影响下,基于高斯变分方程,通过轨道参数的变化和星下点经纬度之间的关系,将初始的星下点可达范围问题转换成了求解在同一纬度下经度差的可达范围问题,并通过求解机动轨道和初始参考轨道之间运行时间的差值,得到了经度差的变化范围。最终根据共面脉冲限制条件的不同,分别利用黄金分割搜索法和牛顿迭代法求解了星下点轨迹可达范围。对于燃料约束下的单脉冲时间最优星下点轨迹调整问题,在考虑J摄动的影响下,通过时间方程得到了施加脉冲最佳机动位置的近似解析解;进一步,在脉冲幅值的约束下,基于高斯变分方程近似估计脉冲分量和轨道参数变化之间的关系,通过联立由目标点纬度信息得到的时间方程和由目标点经度信息得到的时间方程,最终得到了脉冲矢量的近似解析解。对于小推力燃料最优星下点轨迹调整问题,以初始轨道平面为基准建立了极坐标系,并通过改进原有的傅里叶级数拟合法,避免了优化过程中动力学方程的等式约束,使其适用于多圈转移的星下点轨迹调整问题,针对最终轨道形状固定和自由两种情况,分别进行了优化求解。对于小推力时间最优星下点轨迹调整问题,以初始轨道面为基准建立柱坐标系,将轨道面外位置分量表示成为关于轨道倾角和升交点赤经变化量之间的函数,使得转移轨道始终处于初始轨道和终端轨道面之间,并通过对边界条件进行改进,求解了多圈时间最优星下点轨迹调整问题。

关键词：星下点轨迹调整可达范围脉冲机动连续小推力轨迹优化

航天器近距离观测燃料最优轨道机动控制方法研究

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航天器近距离观测燃料最优轨道机动控制方法研究

作者：武文斌哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着卫星成像技术的发展与成熟,航天器观测任务逐渐成为一种较为主流的任务形式,其中对空间目标的观测可以快速获取目标的信息,以便进行后续的在轨服务或合作,对地面目标的观测可以快速获取地面指定坐标的卫星图像,在地理测绘、自然灾... 详细信息

随着卫星成像技术的发展与成熟,航天器观测任务逐渐成为一种较为主流的任务形式,其中对空间目标的观测可以快速获取目标的信息,以便进行后续的在轨服务或合作,对地面目标的观测可以快速获取地面指定坐标的卫星图像,在地理测绘、自然灾害快速观测等方面具有较高的应用价值。为了实现对空间目标的近距离观测,通常需要进行轨道拦截机动控制;为了实现对地面目标过顶观测,通常需要进行星下点轨迹调整。同时,越来越多的仿真任务有着数据规模庞大,单一软件无法保证形象又快速的完成仿真任务,需要对软件之间的接口协议进行研究并搭建某大型数学计算软件与STK互联仿真平台,和基于STK的轻量化二次开发软件。在本文中,针对轨道拦截问题,首先采用二体下的Lambert算法,实现了给定条件下的轨道拦截控制。然后根据二体下的Lambert算法,加入对各种摄动的考虑,分析了摄动的存在对于二体问题下的解的影响,并引入数值分析的手段成功解决摄动带来的影响。最后基于BP神经网络的思想,根据数值修正的摄动Lambert问题解法构造出原始训练集,并对训练集加以修饰,应用修饰过的训练集对神经网络训练逼近摄动Lambert问题的解,获得了与数值修正方法性能相仿的神经网络拟合函数,此法节约了时间成本并降低了运算量。针对星下点轨迹调整问题,首先分析了观测点与地心连线矢量随地球自旋形成的锥面与轨道面的位置关系,并以此求出了空间中的实际观测位置,与基于该位置、起始时间的观测时刻。并将整个星下点轨迹调整问题转换为基于时间搜索的寻优问题,并给出了二体下的机动控制策略。然后分析了摄动对于此机动控制的影响,给出了基于调节初始机动时刻的星下点轨迹修正方法,提升了过顶控制精度。针对形象化表述上述控制效果问题,开发了某大型数学计算软件与STK互联仿真平台,用于演示与验证。针对大规模星群或目标的数据处理问题,基于STK与仿真软件的互联,开发了轻量化的数据分析与处理软件,这种软件具有数据批量处理,用户友好性高的优点。

关键词：轨道拦截 Lambert问题星下点轨迹调整神经网络 STK二次开发

针对多目标成像的卫星轨道机动任务规划问题研究

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针对多目标成像的卫星轨道机动任务规划问题研究

作者：梁记源哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来对地观测卫星在地形勘测、灾难监视、军事侦察等领域充当着越来越重要的角色,同时,为提高对地观测卫星的应急观测能力,结合快速响应空间技术的对地观测卫星受到了各国学者关注。本文以快速响应空间任务为背景,通过轨道机动方式调... 详细信息

近年来对地观测卫星在地形勘测、灾难监视、军事侦察等领域充当着越来越重要的角色,同时,为提高对地观测卫星的应急观测能力,结合快速响应空间技术的对地观测卫星受到了各国学者关注。本文以快速响应空间任务为背景,通过轨道机动方式调节卫星星下点轨迹,进行对地面多目标成像的任务规划。建立了基于卫星飞越地面目标纬度圈时最小经度差的切向脉冲估算模型。针对单颗卫星和卫星星座的不同观测模式,利用工程中常见的性能指标,在两种观测模式下,分别讨论了遗传算法和启发式算法在任务规划问题中的求解效果。本文的具体研究工作如下:对于调整星下点轨迹所需脉冲的估算问题,利用目标点随地球自转运行至卫星轨道面与卫星飞越地面目标纬线圈的时间差,求解了规定天数内卫星星下点轨迹与地面目标的最小经度差。利用高斯变分方程和J模型下轨道根数的变化,推导了脉冲前后机动轨道、参考轨道飞越相同纬度圈时的经度差与卫星沿参考轨道飞行时间的近似线性关系,从而完成了施加切向脉冲的估算。对于任务规划模型建立的问题,给出了本文所建立模型的假设条件,在分析了卫星工作中的真实情况及算法求解的难易程度的基础上,建立了包括卫星过顶约束、机动能力约束、轨道高度约束、太阳高度角约束等约束的约束满足模型,并根据任务观测的优先级对地面目标进行了相应分类。对于单颗卫星对地面目标点成像的任务规划问题,给出了利用遗传算法进行单颗卫星任务规划的具体流程。提出了一种基于地面目标观测优先级的分层无筛选算法,该算法选取当前最高优先级内最高指标收益对应的目标点来进行观测,在保证一定指标收益的前提下提高了计算效率。同时,对上文提出的分层无筛选算法进行改进,提出了利用本次指标收益与下次指标收益共同决定观测目标的分层筛选算法。对于卫星星座对地面目标点成像的任务规划问题,利用遗传算法完成了卫星任务分配及卫星对地面目标点的选择。基于单星的分层筛选算法进行了卫星观测的预分配,基于卫星载荷种类进行了观测目标的重分配,进而提出了针对卫星星座的分层筛选算法。对卫星的分配策略进行改进,提出了改进的卫星星座分层筛选算法。

关键词：脉冲机动星下点轨迹调整任务规划启发式算法

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应急观测小椭圆轨道设计及轨道机动方法研究

应急观测小椭圆轨道设计及轨道机动方法研究

作者：盛靖哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

卫星提供的天基信息支持能有效支援军事活动与地面救援任务,已成为对突发事件迅速反应不可或缺的空间力量,然而如何减小成本并提高响应能力,是空间快速响应技术十分关注的一个问题。本文以此为背景,对应急观测任务卫星小椭圆轨道设计方... 详细信息

卫星提供的天基信息支持能有效支援军事活动与地面救援任务,已成为对突发事件迅速反应不可或缺的空间力量,然而如何减小成本并提高响应能力,是空间快速响应技术十分关注的一个问题。本文以此为背景,对应急观测任务卫星小椭圆轨道设计方法及J2摄动下在轨卫星有限时间内星下点轨迹调整优化算法和解析算法进行研究,主要完成如下内容:针对应急救灾只需数天精确观测的特点,提出了一种仅短期处于近地点附近执行观测任务的小椭圆轨道设计方案并推导了设计方法,解决了低轨圆轨道减小大气阻尼与提高地面分辨率不能兼顾的矛盾。针对重访要求设计了小椭圆回归轨道;重点针对椭圆轨道地面分辨率约束,建立了地面分辨率与近地点的联系,利用拱线的旋转规律推导了小椭圆轨道观测判据及地面分辨率控制参数设计规则;针对中高纬地区即时光照强度不能由降交点地方时确定的问题,归纳了地球任意一点地面光照强度计算方法,反过来针对地面光照约束,推导了地面任意一点指定光照强度当日临界时刻的计算方法。以星下点轨迹模型为基础,设计了变轨控制参数优化算法,实现了在轨卫星星下点轨迹精确调整。针对逐点搜索精度高效率低的问题,结合平均轨道理论建立了末端滑行模型,设计了改进的单脉冲数值算法。针对多脉冲优化模型局部极小多的特点,设计了将遗传算法和非线性规划算法通过内外层方式组合的双层算法,解决了遗传算法对本问题的早熟现象,提高了计算效率。给出了四脉冲以内的算法结果,表明带初始滑行段的单脉冲是最优脉冲。针对目标轨道给定的多脉冲轨迹调整,分析了可行域的特点,验证了遗传算法能有效地求解该优化模型。算法结果验证了目标轨道分别为圆轨道和椭圆轨道的两种情况,各自至少只需两个脉冲和三个脉冲实现星下点轨迹调整。最后,推导了星下点轨迹调整三种解析算法。归纳了小椭圆轨道脉冲推力模型,引入了改进的春分点轨道根数。根据滑行段星下点轨迹模型,分析了星下点轨迹四项主要影响因子,建立了其与脉冲模型的关系,并重点对第一轨的平近角之差简化公式进行了推导。然后依次推导了已知末端时刻经度差有参考星摄动模型解析算法,已知初始时刻轨道面与目标经度差无参考星摄动模型解析算法及已知末端时刻经度差有参考星混合模型解析算法,均得到了三次方程形式的解析解,通过调整方程系数,可以计算最优脉冲和所有可行解。针对初始轨道为圆轨道和小椭圆轨道两种情况,分别给出了算法实例,结果表明三种算法均具有较高的计算精度与速度,根据不同初始条件可以选用不同方法。

关键词：应急轨道设计小椭圆轨道星下点轨迹调整遗传算法解析算法