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基于准非奇异相对轨道根数理论的卫星集群飞行技术研究

刘鹏飞  
【摘要】:卫星集群,是由长期稳定飞行在邻近开普勒轨道上的多个成员卫星,通过星间无线通信网络互联形成的、具备载荷和平台资源共享能力的分布式空间系统。相比于单体式航天器,卫星集群系统具有高度的鲁棒性、灵活性;相比于传统的分布式卫星系统,卫星集群具有轨道控制开销少、可长期在轨运行和技术风险小的优势。卫星集群代表着分布式卫星系统发展的最新方向,在当前阶段开展卫星集群关键技术的研究具有重要的理论价值和工程实践意义。集群飞行、空间无线通信及自组织网络、空间分布式计算是卫星集群系统所依赖的三项核心关键技术。本文从准非奇异相对轨道根数描述的卫星相对运动模型入手,从动力学、控制的角度,对运行在近圆参考轨道上的、采用群树结构网络拓扑的异构卫星集群系统的集群飞行问题进行研究。第一,研究了基于准非奇异相对轨道根数的卫星相对运动建模问题。从准非奇异相对轨道根数的定义出发,分别推导了开普勒二体假设条件及地球J_2、大气阻力摄动条件下基于准非奇异相对轨道根数的线性相对运动模型,研究了基于脉冲推力实现的相对轨道控制方法,介绍了相对E/I矢量分离原理的基本概念及其在星间安全避撞机制设计方面的特殊意义,讨论并证明了局部刚化原理,说明了其在多星协同运动控制方面的价值、意义。第二,研究了卫星集群安全分离部署策略问题。基于准非奇异相对轨道根数描述的相对运动模型,分析了卫星集群星箭分离过程中的星-箭、星-星相对运动特性。根据星-箭、星-星相对运动安全性要求,提出了安全概念设计方案,将星箭分离参数的设计问题转化为受限的相对E/I矢量空间中的可行解求解问题。针对这一问题,提出了一种基于几何方法的星箭安全分离参数序列求解流程。针对分离不确定性对星箭分离方案安全性的影响问题,提出了基于区间代数的最差情况分析方法,并进一步提出了应对分离不确定性因素影响的改进方案。以SAMSON任务的在轨分离部署过程为蓝本设计了仿真算例,仿真结果证明了本文提出的卫星集群安全分离序列求解方法的可行性和有效性。第三,研究了卫星集群维持过程的制导控制问题。介绍了群树结构网络拓扑的内涵、特点及其在卫星集群系统中的具体实现方式。针对卫星集群维持过程中的两项相对运动控制指标——集群网络拓扑维持和星间碰撞规避,分别提出了相应的制导、控制方法。具体来讲,依据局部刚化原理,提出了基于各成员卫星相对平半长轴的协同脉冲机动修正实现集群网络拓扑维持的制导、控制方法;依据相对E/I矢量分离原理,提出了基于各成员卫星平相对E/I矢量的协同脉冲机动修正实现集群星间安全避撞的制导、控制方法。通过数值仿真算例,证明了上述两方面制导、控制方法的有效性。第四,研究了卫星集群操作过程的制导控制问题。界定了卫星集群几种典型操作场景的概念内涵;针对卫星集群操作过程在卫星相对运动控制方面的特殊需求,在第四章集群维持技术的基础上,进一步提出了基于各成员卫星相对平半长轴的协同脉冲机动修正实现集群关键链路相对距离调控的制导、控制方法;通过数值仿真算例,证明了上述制导、控制方法对于各种集群操作场景的有效性和适用性。第五,设计了卫星集群地面仿真试验床。针对现有商用仿真软件难以独立、同时支持卫星集群系统动力学控制过程和网络通信过程建模仿真功能的现实问题,立足系统集成、联合仿真的思路,以OPNET Modeler为主体,重点利用其内置的Esys接口与外部仿真器的信息交互功能,提出了一套卫星集群地面仿真试验床架构,实现了对OPNET Modeler、STK和Matlab三方面仿真器资源的有效集成。通过基于Zig Bee无线通信技术实现的卫星集群自组织通信网络场景仿真算例,证明了试验床设计方案的可行性和有效性。总之,本文以理论分析和仿真计算相结合的方式,以准非奇异相对轨道根数理论为基础,以近圆参考轨道上、采用群树结构网络拓扑的异构卫星集群为研究对象,对卫星集群的安全分离部署、长期稳态维持及动态操作问题进行了研究,提出了相应的解决方法,并设计了一套用于卫星集群系统技术验证的地面仿真试验床。本文的研究工作,可为卫星集群系统的理论研究和工程应用提供参考。


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