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长周期高精度回归轨道与脉冲轨道控制策略设计

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北京航空航天大学学报 2021年第11期47卷 2256-2267页

作者：何艳超徐明航天东方红卫星有限公司北京100094 北京航空航天大学宇航学院北京100083

针对长周期回归轨道设计和维持问题,研究了一种基于高阶Poincaré映射的高精度引力场中回归轨道优化设计和控制的通用性半解析方法,其中摄动包含大气阻力、太阳辐射压力和日月三体引力等因素。通过对Poincaré映射进行高阶展开并表示为... 详细信息

针对长周期回归轨道设计和维持问题,研究了一种基于高阶Poincaré映射的高精度引力场中回归轨道优化设计和控制的通用性半解析方法,其中摄动包含大气阻力、太阳辐射压力和日月三体引力等因素。通过对Poincaré映射进行高阶展开并表示为多项式形式,可精确近似对一个或者多个回归周期内的轨道递推,从而在赤道升交点处施加脉冲推力,实现高精度的回归轨道设计和控制。提出了分别解决严格和宽松2种回归约束下问题的方法,并应用于实际在轨TerraSAR-X、Landsat-8、IRS-P6、SPOT-7和UoSAT-12任务的回归模式。所提方法具有计算效率和精度高的优点,可用于星上自主轨道递推和轨道控制。

关键词：回归轨道高阶Poincaré映射半解析设计严格回归约束宽松回归约束

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严格回归轨道自动生成算法及实现

推进技术 2018年第7期39卷 1472-1478页

作者：张冲难卞燕山王西京田斌黄晓峰宇航动力学国家重点实验室陕西西安710043 航天器在轨故障诊断与维修重点实验室陕西西安710043

近地太阳同步轨道卫星由平时轨道快速、精确机动至严格回归轨道是实现特定区域周期性重访的必要前提。为提高区域重访的快速响应能力,提出了一种严格回归轨道自动生成算法。首先根据重访区域的交点周期及重访周期要求,利用解析法快速生... 详细信息

近地太阳同步轨道卫星由平时轨道快速、精确机动至严格回归轨道是实现特定区域周期性重访的必要前提。为提高区域重访的快速响应能力,提出了一种严格回归轨道自动生成算法。首先根据重访区域的交点周期及重访周期要求,利用解析法快速生成初始严格回归轨道;然后基于太阳同步轨道特性并利用数值法进行多次寻优生成严格回归轨道,针对轨控时间、燃料消耗、偏心率等约束条件,给出了多脉冲轨控策略的具体实现;最后构建了轨道衰减的解析表达式,推导出严格回归轨道的控制窗口。结果表明:在国内可见弧度实施5天共5次轨道控制,卫星由太阳同步轨道机动至1天15圈的日回归轨道,区域重访周期约23h 59m 50s,燃料消耗59.9kg;在轨迹漂移量为5km的要求下,在标称轨道半长轴的基础上增加110.778m,轨迹网保持周期由15天延长至一个月以上,满足严格回归轨道重访要求。

关键词：太阳同步轨道回归轨道交点周期多约束优化

太阳同步回归轨道的轨道面外运动及在轨数据分析

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上海航天（中英文） 2023年第1期40卷 136-143页

作者：杨盛庆王文妍杜耀珂完备王嘉轶穆少阳上海航天控制技术研究所上海201109 上海市空间智能控制技术重点实验室上海201109

针对近地太阳同步回归轨道的轨道面外运动,基于在轨遥测数据分析了轨道倾角和降交点地方时的运动变化规律。日月三体摄动对轨道倾角产生了长周期和短周期的运动,基于数据驱动方法进行了不同周期运动的辨识与分解,并与经典的解析解进行... 详细信息

针对近地太阳同步回归轨道的轨道面外运动,基于在轨遥测数据分析了轨道倾角和降交点地方时的运动变化规律。日月三体摄动对轨道倾角产生了长周期和短周期的运动,基于数据驱动方法进行了不同周期运动的辨识与分解,并与经典的解析解进行了比对。解析解反映的倾角半月周期运动与在轨数据基本一致,可以作为倾角半月周期运动的预报依据。基于轨道面外运动特征,分析了自主轨迹保持任务中虚拟编队构形参数与轨道面外参数的相关性。在精确回归轨道保持时充分考虑了轨道面外运动的特征,降低了自主轨道面外控制的频次。研究结果可以作为轨道面外运动轨迹优化的基础。

关键词：太阳同步回归轨道倾角降交点地方时日月三体摄动自主轨迹保持虚拟编队

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高精度重力场下回归轨道半解析优化设计

宇航学报 2016年第5期37卷 526-534页

作者：何艳超徐明张润宁李志武北京航空航天大学宇航学院北京100191 航天东方红卫星有限公司北京100094

为解决太阳同步回归轨道的标称设计问题,提出一种基于高精度重力场的半解析优化方法。建立地球非球形引力摄动阶数为J_(15)的高精度重力场解析模型,并分离出引力摄动的长期项和长周期项。构建回归轨道从半长轴到平交点周期的对应关系,... 详细信息

为解决太阳同步回归轨道的标称设计问题,提出一种基于高精度重力场的半解析优化方法。建立地球非球形引力摄动阶数为J_(15)的高精度重力场解析模型,并分离出引力摄动的长期项和长周期项。构建回归轨道从半长轴到平交点周期的对应关系,平交点周期变化随引力摄动阶数的提高而逐渐收敛。通过微分修正迭代算法所确定的半长轴相对于传统J_2摄动模型的半长轴确定值具有更高的精度和更好的稳定性。考察摄动短周期项影响下的密切交点周期,结果表明其受初始位置(平近点角)影响较大,变化范围为0.015 s,并由此给出精确回归轨道优化设计的基准:不同的初始位置上满足星下点轨迹严格回归的半长轴期望值。

关键词：非球形引力摄动回归轨道交点周期半解析优化摄动短周期项微分修正算法

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长周期高精度回归轨道与脉冲轨控策略设计

北京航空航天大学学报 2021年

作者：何艳超徐明航天东方红卫星有限公司北京航空航天大学宇航学院

针对长周期回归轨道设计和维持问题，研究了一种基于高阶Poincaré映射的高精度引力场中回归轨道优化设计和控制的通用性半解析方法，其中摄动包含大气阻力、太阳辐射压力和日月三体引力等因素。通过对Poincaré映射进行高阶展开并表示... 详细信息

针对长周期回归轨道设计和维持问题，研究了一种基于高阶Poincaré映射的高精度引力场中回归轨道优化设计和控制的通用性半解析方法，其中摄动包含大气阻力、太阳辐射压力和日月三体引力等因素。通过对Poincaré映射进行高阶展开并表示为多项式形式，可精确近似对一个或者多个回归周期内的轨道递推，从而通过在赤道升交点处施加脉冲推力，实现高精度的轨道设计和控制。提出了分别解决严格和宽松两种回归约束下问题的方法，并应用于实际在轨TerraSAR-X、Landsat-8、SPOT、IRS-P6和UoSAT-12任务的回归模式。

关键词：回归轨道高阶Poincaré映射半解析设计严格回归条件宽松回归条件

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基于高精度回归共振的掩星观测轨道设计

航空学报 2023年

作者：张依宁温昶煊庞博朱天昊何嘉欣金紫涵北京理工大学宇航学院

基于遥感卫星的掩星观测技术被广泛用于地球大气中的温室气体浓度监测。与传统光学观测不同，掩星观测需由“信源星”和“观测星”协作、在满足严格观测几何约束下才能完成，这使得掩星观测的轨道设计问题更加困难。为提升掩星观测能力... 详细信息

基于遥感卫星的掩星观测技术被广泛用于地球大气中的温室气体浓度监测。与传统光学观测不同，掩星观测需由“信源星”和“观测星”协作、在满足严格观测几何约束下才能完成，这使得掩星观测的轨道设计问题更加困难。为提升掩星观测能力，论文提出一种基于高精度回归共振的掩星观测轨道设计方法。首先，将掩星观测几何约束从切点高度约束等价转化为地心夹角约束，实现对任意轨道构型下连续掩星观测弧段和覆盖能力的快速评估。然后，利用回归和共振轨道特性，建立了大样本的“信源-观测”轨道构型库，为掩星观测轨道设计提供基础解集。最后，以对主要碳排放区域的覆盖能力作为主要性能指标进行寻优，并利用微分修正构造J2摄动下的高精度回归共振观测构型，完成掩星观测信源星和观测星的轨道设计。结果表明，所给高精度回归共振掩星观测轨道构型，不仅保证了周期性长弧段的掩星观测，还实现了观测几何的长期稳定保持。所提方法成功用于第8届中国研究生未来飞行器创新大赛“碳卫星大气观测轨道设计与优化”挑战赛，并摘得了该赛事的冠军。

关键词：掩星观测轨道设计优化回归轨道共振轨道未来飞行器创新大赛

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基于高精度回归共振的掩星观测轨道设计

航空学报 2024年第8期45卷 260-271页

作者：张依宁温昶煊庞博朱天昊何嘉欣金紫涵北京理工大学宇航学院北京100081

基于遥感卫星的掩星观测技术被广泛用于地球大气中的温室气体浓度监测。与传统光学观测不同,掩星观测需由“信源星”和“观测星”协作、在满足严格观测几何约束下才能完成,这使得掩星观测的轨道设计问题更加困难。为提升掩星观测能力,... 详细信息

基于遥感卫星的掩星观测技术被广泛用于地球大气中的温室气体浓度监测。与传统光学观测不同,掩星观测需由“信源星”和“观测星”协作、在满足严格观测几何约束下才能完成,这使得掩星观测的轨道设计问题更加困难。为提升掩星观测能力,提出一种基于高精度回归共振的掩星观测轨道设计方法。首先,将掩星观测几何约束从切点高度约束等价转化为地心夹角约束,实现对任意轨道构型下连续掩星观测弧段和覆盖能力的快速评估。然后,利用回归和共振轨道特性,建立了大样本的“信源-观测”轨道构型库,为掩星观测轨道设计提供基础解集。最后,以对主要碳排放区域的覆盖能力作为主要性能指标进行寻优,并利用微分修正构造J2摄动下的高精度回归共振观测构型,完成掩星观测信源星和观测星的轨道设计。结果表明:所给高精度回归共振掩星观测轨道构型,不仅保证了周期性长弧段的掩星观测,还实现了观测几何的长期稳定保持。所提方法成功用于第8届中国研究生未来飞行器创新大赛“碳卫星大气观测轨道设计与优化”挑战赛,并摘得了该赛事的冠军。

关键词：掩星观测轨道设计优化回归轨道共振轨道未来飞行器创新大赛

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高精度回归轨道设计与精确维持控制方法研究

高精度回归轨道设计与精确维持控制方法研究

作者：蒲明珺上海交通大学

学位级别：硕士

回归轨道是指卫星星下点轨迹经过一段时间后重复出现,且在同一纬度圈上,相邻星下点轨迹间距相同的一类特殊轨道。回归轨道可实现对特定地面目标的周期性动态观测,在对地成像观测和地球科学探测等航天任务中已得到广泛应用。本文针对应... 详细信息

回归轨道是指卫星星下点轨迹经过一段时间后重复出现,且在同一纬度圈上,相邻星下点轨迹间距相同的一类特殊轨道。回归轨道可实现对特定地面目标的周期性动态观测,在对地成像观测和地球科学探测等航天任务中已得到广泛应用。本文针对应用严格回归轨道的航天任务,拟从卫星轨道设计和轨道维持控制两个角度出发,研究高精度回归轨道设计方法和精确轨道维持控制方法。首先,通过对近地空间主要摄动因素进行分析,建立了近地卫星轨道动力学方程,并基于Runge-Kutta-Fehlberg数值积分法对高精度卫星轨道预报方法进行研究。通过与STK软件的轨道预报数据进行对比,验证了本文设计的轨道预报功能模块可以精确预报卫星运动状态;其次,针对地球非球形引力对卫星轨道的摄动影响,研究了基于J摄动项的回归轨道六要素迭代法设计方法,进而提出一种基于高阶地球重力场模型的严格回归轨道单目标优化设计方法。仿真结果表明,考虑高阶地球重力场摄动影响,使用本文提出的轨道设计方法可设计出回归精度为1米量级以下的严格回归轨道。最后,本文通过分析卫星实际运行轨道相对标称轨道的空间误差变化情况,研究了一种基于“控制管道”概念的精确轨道维持控制方法。仿真结果表明,文中研究的轨道维持控制方法可保证卫星长期运行轨道始终处于“控制管道”中,从而表明了本文提出的轨道精确维持控制方法可保障卫星长期运行轨道的严格回归特性。

关键词：回归轨道空间摄动因素轨道预报轨道设计轨道维持控制

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离轨段回归轨道设计

航天控制 2013年第6期31卷 62-65,70页

作者：汤敏兰刘赟上海航天控制技术研究所上海200233

针对离轨段轨道设计中飞行器需周期性满足离轨点要求的问题,提出了一种具有一定回归周期的回归轨道设计方法。与以往的给定星下点轨迹和回归周期来求解回归轨道的轨道高度和轨道倾角的设计方法不同的是,该回归轨道设计可以在不改变原有... 详细信息

针对离轨段轨道设计中飞行器需周期性满足离轨点要求的问题,提出了一种具有一定回归周期的回归轨道设计方法。与以往的给定星下点轨迹和回归周期来求解回归轨道的轨道高度和轨道倾角的设计方法不同的是,该回归轨道设计可以在不改变原有轨道倾角的情况下,在一定范围的轨道高度内寻找满足回归周期要求的回归轨道;并且能保证设计的回归轨道星下点轨迹经过离轨点星下点。通过分析半长轴在回归轨道设计中的影响,得到了求解回归周期和推算升交点赤经的方法。最后针对离轨实例进行MATLAB仿真,同时对比卫星仿真软件的仿真结果,验证了所提方法的有效性。

关键词：离轨轨道设计回归轨道回归周期升交点赤经离轨时刻