编队飞行构形设计与基于HLA的分布式仿真

论文摘要

小卫星编队飞行是通过多颗小卫星协同飞行组成一个“虚拟大卫星”，依靠大的合成孔径和测量基线进行干涉测量，在完成单个大型空间飞行器功能的同时，大幅降低成本和风险，降低卫星故障对任务的影响。美国国家航天局（NASA）已把卫星编队飞行技术视为下一代可用的关键技术，将在电子侦察、立体成像，导航定位、卫星遥感等方面展示其重要作用。尽管小卫星编队飞行具有很多优点，但真正在功能和性能上发挥重要作用，还面临许多技术难题。本文重点针对小卫星编队飞行的高稳定构形设计和基于HLA的分布式编队飞行数字仿真开展了如下几方面的研究工作。首先，本文研究了编队飞行的相对动力学建模方法，着重讨论了数值积分法、C-W方程方法、Lawden方程方法、轨道要素差法、相对轨道要素法和参照轨道要素法等相对运动描述方法，并对每种描述方法的适用条件进行了说明和比较。其次，本文详细研究了卫星编队飞行构形设计，包括构形设计中的任务分析、构形选择、构形初始化、队形稳定性分析等。文中分析了几种常见的编队构形特点，并用基于C-W方程的初始化方法给出了每种典型编队的初始化条件，并分析了卫星按此初始化条件飞行的编队构形的稳定性。文中着重分析了C-W方程方法的局限性，一方面通过保留非线性项的方法修正C-W方程线性化带来的误差，另一方面对考虑J2项影响下编队构形稳定性进行分析，并用平均摄动法对C-W方程初始化条件进行优化，使得编队构形的稳定性得到了显著的提高。最后，本文介绍了HLA分布式仿真平台的特点，利用HLA的互操作性和可重用特点，搭建基于HLA的卫星编队飞行任务仿真框架，进行联邦成员的初步设计和建模。同时以三星编队微波立体成像和三星空间圆形编队数字仿真为例，进行编队飞行的分布式仿真分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 编队飞行的国内外发展现状
• 1.2.1 编队飞行任务
• 1.2.2 编队飞行构形设计方法
• 1.2.3 编队飞行的分布式仿真技术
• 1.3 本文的主要内容与创新点
• 1.3.1 本文工作
• 1.3.2 创新点
• 第二章 小卫星编队飞行相对动力学模型
• 2.1 坐标系定义
• 2.2 几种常用的卫星编队相对运动描述方法
• 2.2.1 数值积分法
• 2.2.2 C-W方程方法
• 2.2.3 Lawden方程方法
• 2.2.4 轨道要素差法
• 2.2.5 相对轨道要素法
• 2.2.6 参照轨道要素法
• 2.3 几种相对运动描述方法比较分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 编队飞行构形设计
• 3.1 任务分析及构形选择
• 3.1.1 任务分析
• 3.1.2 几种常见的编队构形
• 3.2 编队构形初始化及稳定性分析
• 3.2.1 基于 C-W方程的构形初始化
• 3.2.2 基于 C-W方程初始化的构形稳定性分析
• 3.2.3 C-W方程线性化修正
• 3.2.4 考虑 J2项摄动影响下的平均摄动法优化
• 3.3 本章小结
• 第四章 HLA分布式仿真平台
• 4.1 高层体系结构HLA
• 4.1.1 HLA的组成
• 4.1.2 HLA的基本思想
• 4.1.3 HLA的主要特点
• 4.2 联邦运行支撑环境 RTI
• 4.3 联邦开发和执行过程模型
• 4.4 联邦成员的程序框架
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于HLA的三星编队飞行仿真
• 5.1 任务概述
• 5.2 联邦设计
• 5.2.1 对象模型模版
• 5.2.2 基于Windows方式的联邦成员
• 5.2.3 联邦成员的主要功能
• 5.3 仿真结果及分析
• 5.3.1 三星组合编队
• 5.3.2 三星空间圆形编队
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表论文