编队飞行星座相对运动的运动学描述与编队构型设计

分别以纬度幅角和平近点角、平纬度幅角及偏近点角为变量,推导了几种简单的编队飞行星座相对运动的运动学模型,这些模型和动力学模型(Hill方程)相一致,但更便于应用。并在此基础上,给出了当编队构型为空间圆形和星下点圆形时进行编队构型设计的一种运动学方法,该方法直接给出了星座中各星的轨道根数的计算方法,实例证明该方法简单实用。     

地球轨道航天器编队飞行动力学与控制研究综述

航天器编队飞行被定义为跟踪或维持航天器之间的期望相对间隔、期望指向和相对位置。本文概括介绍了近年来地球轨道飞行编队的动力学和控制方面研究的发展状况,包括传统推进系统和新型无推进剂编队系统的动力学建模方法和控制器设计技术等。在传统推进编队系统中,航天器由使用化学燃料或等离子体的推进器提供推力,可以实现高精度地相对姿态/位置保持或重构,控制简单,灵活性高,但是需要消耗较多的能源。相比之下,在新型无推进剂编队系统中,航天器通过新的推力方式,如大气阻力作用,非接触内力,地磁洛伦兹力,动量交换等,将大大延长编队任务的寿命,并有效地避免羽流污染,但会带来新的控制问题。本文总结了这些领域中动力学与控制方面的研究方法及取得的成果,并提出了相关领域值得深入研究的问题和后续发展的方向。     

地球轨道航天器编队飞行动力学与控制研究综述1)

航天器编队飞行被定义为跟踪或维持航天器之间的期望相对间隔、期望指向和相对位置。本文概括介绍了近年来地球轨道飞行编队的动力学和控制方面研究的发展状况,包括传统推进系统和新型无推进剂编队系统的动力学建模方法和控制器设计技术等。在传统推进编队系统中,航天器由使用化学燃料或等离子体的推进器提供推力,可以实现高精度地相对姿态/位置保持或重构,控制简单,灵活性高,但是需要消耗较多的能源。相比之下,在新型无推进剂编队系统中,航天器通过新的推力方式,如大气阻力作用,非接触内力,地磁洛伦兹力,动量交换等,将大大延长编队任务的寿命,并有效地避免羽流污染,但会带来新的控制问题。本文总结了这些领域中动力学与控制方面的研究方法及取得的成果,并提出了相关领域值得深入研究的问题和后续发展的方向。     

编队飞行星座的地球扁率摄动和大气阻力摄动分析

在前一篇文章推导的运动学模型的基础上,推导了J2项摄动下编队构型在x,y,z三个方向上随时间变化的解析式,详细分析了J2项摄动对三个方向上相对距离的影响。并研究了大气阻力摄动对各轨道参数的影响,给出了几条有益的结论。     

卫星编队飞行中相对轨道的J2摄动分析

详细分析了$J_{2}$摄动对编队卫星相对轨道构形的影响. $J_{2}$ 摄动对相对轨道的影响分为相对轨道构形的漂移、相对轨道平面的章动和进动. 首先, 分析了相对轨道构形漂移速度、章动角速度和进动角速度的一阶近似表达式的数量级及其影 响因素. 其次,给出一个准则,来判断同一相对轨道的漂移和转动之间的关系. 最后, 利用该准则,分析了主、从星的轨道根数差对相对轨道的漂移和转动的影响.     

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主要介绍深空探测中的动力学与控制相关基础性问题，分析研究现状和发展趋势， 尝试提出新的研究课题.     

深空探测中的动力学与控制

主要介绍深空探测中的动力学与控制相关基础性问题,分析研究现状和发展趋势,尝试提出新的研究课题.     

日地系统L_2点Halo轨道绳系卫星编队动力学

研究平动点附近周期轨道上旋转多体绳系卫星编队系统的非线性耦合动力学问题。编队系统为各卫星质量接近的轮辐状结构,位于日地系统第二平动点附近,整个系统的旋转保持系绳处于张紧状态,建立Hill限制性三体问题的绳系编队系统动力学模型。针对处于留位阶段的典型对称三星编队,在位于较大Halo轨道上无控制力作用的情况下,进行母卫星轨道运动与系绳摆动耦合运动的动力学模拟,分析轨道方向、卫星质量比、系绳长度以及初始旋转速度对编队系统整体稳定性的影响。     

卫星编队飞行动力学与控制研究

简要介绍了卫星编队飞行的动力学与控制研究的最新进展，对今后研究工作的重点提出了建议．     

第3届全国深空轨道设计竞赛的通知

深空探测已成为当前航天领域的主要发展方向之一.未来30年我国将逐步开展火星、金星、小天体和其他深空探测活动.深空轨道设计对深空探测任务具有巨大的支撑作用.深空飞行轨道的时间、空间尺度很大,优化方法多样以及可选的方     

Formation around planetary displaced orbit

The paper investigates the relative motion around the planetary displaced orbit. Several kinds of displaced orbits for geocentric and martian cases were discussed. First, the relative motion was linearized around the displaced orbits. Then, two semi-natural control laws were investigated for each kind of orbit and the stable regions were obtained for each case. One of the two control laws is the passive control law that is very attractive for engineering practice. However, the two control laws are not very suitable for the Martian mission. Another special semi-natural control law is designed based on the requirement of the Martian mission. The results show that large stable regions exist for the control law.     

陀螺进动与强迫进动轨道

陀螺进动与轨道进动现象的相似性归因于二者的动力学相似性. 通过类比二者的动力学模型,提出了一类强迫进动轨道. 若以圆轨道为初始轨道,通过施加常值法向力可以实现一种特殊的悬浮型强迫进动轨道. 采用四元数建模方法求解了这种强迫进动轨道的进动规律,给出了解析表达式,据此分析了这种轨道的性质. 分析结果表明这种强迫进动轨道与初始圆轨道在同一球面上,且与初始位置相切. 其角速度为进动角速度与初始轨道角速度的合成,是一种悬浮轨道,即属于非开普勒轨道. 悬浮轨道在地球观测、行星际科学、天文观测、无线电通讯以及地球工程等领域具有潜在应用前景. 从强迫进动的角度出发所作的分析为悬浮轨道的实现提供了一种新途径.     

相对运动中一类质点运动方程的同伦摄动解

相对运动中质点的运动方程大多数是非线性的,其精确显式求解是一个难点。本文基于同伦摄动分析方法,研究了相对运动中一类质点运动非线性微分方程的近似显式解。先构造了系统的同伦方程,再结合Lindstedt–Poincare方法和系统的初始条件,推导了系统自由振动的固有频率,求解了系统的位移近似响应,并通过数值仿真验证了理论分析解的正确性,为相对运动的质点运动方程求解提供了一种新的求解方法。

     

航天器相对运动动力学教学研究与实践

航天器相对运动动力学是空间维护原理课程的核心,主要内容是目标轨道坐标系中两个航天器的相对运动规律,太空中的相对运动规律与地面的相对运动规律在直觉上是相悖的,对学员的理解能力提出了较高挑战,课程组提出了演示法、交互法和实验法有机结合的体系化教学方法,通过将隐含的运动关系、相对运动方程经过变换转化为显式的运动方程,将静态的公式转化为动态的案例运用,将抽象的相对运动规律转换为直观的图像、动画演示。实践表明,该教学方法可显著提高学员学习的积极性和动手实践能力,有效提高教学质量。     

变质量非完整系统相对运动动力学方程的积分理论

本文研究变质量非线性非完整系统相对于非惯性系动力学的积分理论，给出其Ｒｏｕｔｈ降阶法，Ｗｈｉｔｔａｋｅｒ降阶法，Ｐｏｉｎｃａｒｅ－Ｃａｒｔａｎ型积分变量关系和积分不变量。     

Trajectory optimization and applications using high performance solar sails

The high performance solar sail can enable fast missions to the outer solar system and produce exotic non-Keplerian orbits. As there is no fuel consumption, mission trajectories for solar sail spacecraft are typically optimized with respect to flight time. Several investigations focused on interstellar probe missions have been made, including optimal methods and new objective functions. Two modes of interstellar mission trajectories, namely “direct flyby” and “angular momentum reversal trajectory”, are compared and discussed. As a foundation, a 3D non-dimensional dynamic model for an ideal plane solar sail is introduced as well as an optimal control framework. A newly found periodic double angular momentum reversal trajectory is presented, and some properties and potential applications of this kind of inverse orbits are illustrated. The method how to achieve the minimum periodic inverse orbit is also briefly elucidated.     

木卫停泊轨道间低耗能小推力转移轨道设计方法研究

对木卫停泊轨道间的低耗能小推力转移轨道设计方法进行了研究,提出基于“类halo轨道截面”法的低耗能转移轨道参数化方法和基于配点法的多体Lambert问题求解算法,并利用全局优化算法得出了燃耗最少的初步优化结果;利用多体同伦法和固定近心点高度的多圈转移控制律得到了各段小推力转移轨道的有效设计结果.所提方法同样适用于其他天体间的转移轨道设计,为多体环境下低耗能小推力转移轨道提出了新的设计思路和方法.     

Solar radiation pressure used for formation flying control around the Sun-Earth libration point

Solar radiation pressure is used to control the formation flying around the L2 libration point in the Sun-Earth system. Formation flying control around a halo orbit requires a very small thrust that cannot be satisfied by the latest thrusters. The key contribution of this paper is that the continuous low thrust is produced by solar radiation pressure to achieve the tight formation flying around the libration point. However, only certain families of formation types can be controlled by solar radiation pressure since the direction of solar radiation pressure is restricted to a certain range. Two types of feasible formations using solar radiation pressure control are designed. The conditions of feasible formations are given analytically. Simulations are presented for each case, and the results show that the formations are well controlled by solar radiation pressure.     

条带式太阳帆的结构动力学分析

依靠光压推进,太阳帆被认为是最可行的星际探测航天器,太阳帆结构总体方案主要有两类:桅杆式和旋转式,其中,帆膜被分割成窄条的条带式太阳帆在桅杆式太阳帆中具有较为理想的结构效率,如何准确计算条带式太阳帆的结构动力学特性值得研究.本文对条带式太阳帆结构的振动特性和结构稳定性进行研究,将太阳帆看作是由若干个桅杆-膜带组件依次连接而成的整体结构,桅杆-膜带组件由4根桅杆段和4条薄膜条带组成,分段轴压作用下的桅杆与薄膜条带耦合振动.考虑帆面薄膜条带与支撑桅杆之间的耦合振动,采用分布传递函数法建立了的条带式太阳帆的结构动力学模型,推导了条带式太阳帆结构自由振动和失稳载荷的求解方法.研究表明:条带式太阳帆构型有利于提高太阳帆结构的整体刚度和结构稳定性,随着帆面薄膜条带数目的增加,太阳帆结构的振动频率和失稳载荷增大;随着帆面薄膜预应力的增大,太阳帆结构振动的基频减小,稳定性变差;随着支撑桅杆刚度的提高,太阳帆结构整体的振动频率和失稳载荷增大.本文建立的解析求解方法具有求解效率快和精度高的特点,为条带式太阳帆的结构设计和姿态控制提供了有力的分析工具.