《編隊衛星群協同飛行的軌道機動動力學與控制研究》是依託北京航空航天大學，由鄧忠民擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：編隊衛星群協同飛行的軌道機動動力學與控制研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：鄧忠民
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
多星編隊協同機動是提高編隊衛星技術性能的關鍵技術之一。本項目在建立協同飛行衛星群整體機動與群間衛星相對機動的軌道動力學模型基礎上，對比分析Kepler和非Kepler兩種軌道轉移模式下協同機動衛星群隊形保持特點，研究Kepler軌道轉移和非Kepler軌道轉移的關聯性，探討採用非Kepler軌道實現低能耗衛星群協同軌道機動的方法，從而研究衛星群協同機動的約束條件。同時在本項目中擬建立協同飛行衛星群機動的碰撞機率模型，推導碰撞機率的函式表達式，探討衛星群協同軌道機動的避碰方法。通過建立碰撞避免、燃料均衡等約束條件下的燃料最優或時間最優的群整體機動軌道的最佳化模型，研究衛星群機動的燃料消耗均衡問題以及機動路徑規劃方法。此外，本項目還將探討衛星群協同機動過程中隊形重構問題。本項目的實施將豐富編隊衛星群協同機動軌道動力學的基礎理論，為高安全性、高經濟性的協同飛行編隊衛星群實際套用奠定基礎。
結題摘要
多星編隊協同機動是提高編隊衛星技術性能的關鍵技術之一。項目組在基金的支持下對相關問題開展了深入的研究，已完成的主要工作為： 1、對編隊衛星相對運動進行了動力學分析，對比分析了可以反應參考軌道偏心率和攝動影響的幾何法狀態轉移矩陣與C-W方程的優缺點，並進行了誤差分析。套用幾何法模型分析了J2攝動影響下的圓軌道和橢圓軌道上的相對軌道構形。採用幾何方法推導了包含連續推力控制項的相對軌道要素差的狀態轉移矩陣以及相對運動狀態與相對軌道要素差之間的幾何轉換矩陣，建立了基於Lyapunov函式反饋控制的太空飛行器編隊連續推力軌道轉移問題的動力學模型 2 、使用最佳化方法對太空飛行器編隊遠距離協同軌道機動策略進行最佳化設計。考慮了太空飛行器遠距離協同軌道機動與編隊隊形保持的耦合，選擇了適當的數值最佳化算法，最佳化指標為變軌燃料最少、編隊保持燃料最少或變軌燃料、編隊保持燃料和機動時間加權最小。對太空飛行器編隊異面軌道機動，引入隊形調整機動過程，解決了異面機動瞬間帶來的軌道坐標系旋轉和隊形發散問題。 3、在編隊衛星軌跡安全分析方法方面。系統地給出了編隊衛星碰撞機率的描述方式與評估方法，給出了編隊衛星整體及部分衛星碰撞可能性的描述指標。中心平均法計算瞬時碰撞機率及相對軌跡的總碰撞機率，能在保證準確性的前提下能提高計算效率，從而保證計算的實時性與高效性。研究了發動機推力誤差、構型保持控制推力誤差對協同機動的安全性的影響。研究顯示：軌道轉移推力誤差對碰撞機率的影響體現在狀態轉移矩陣中，對碰撞機率密度分布有直接影響；構型保持控制推力誤差對碰撞機率的影響則體現在相對軌道上。 4、針對衛星編隊的有主星協同和無主星協同結構，研究了編隊整體轉移機動的連續推力的滑模變結構控制方法，並對兩種結構編隊轉移進行了對比。根據基於圖論的一致性控制理論，結合太空飛行器軌道運動的性質和編隊衛星相對運動的特點，選擇合適的一致性協定形式，同時基於多種相對運動模型，提出相應的協同機動算法。 基於一階一致性協定對編隊衛星軌道機動策略進行了分析與最佳化設計。 基於二階一致性協定對編隊衛星構形初始化及重構協同機動進行了分析。 5、 基於碰撞機率的衛星群近距離協同機動、衛星重構一致性協同機動的安全分析與最佳化。通過計算協同機動、重構時的編隊衛星碰撞機率，分析控制參數對編隊衛星系統的碰撞機率影響，在保證安全性的同時實現衛星群協同機動燃料消耗最小的控制參數最佳化。
