椭圆轨道航天器编队飞行动力学及应用研究

论文摘要

随着编队飞行技术的日益成熟及其应用领域的不断拓展,椭圆轨道航天器编队飞行逐渐引起国内外航天专家的关注。与圆轨道相比,椭圆轨道航天器编队飞行理论研究更具一般性和挑战性,对未来空间探测和在轨服务具有重要应用价值。本文重点对椭圆轨道航天器编队飞行的相对动力学、摄动分析、构形设计及其应用问题进行研究和探讨。本文建立了适合近距离和远距离编队的椭圆轨道航天器间相对运动模型。模型精度分析表明,若相对误差要求不超过10-2,前者适合相对距离d≤100km的编队任务,后者适合相对距离d≤1000km的编队任务。针对远距离编队的动力学模型研究进一步拓展了已有研究成果,对空间探测、电子侦察、分布式导航等远距离编队任务有很强应用价值。考虑J2项摄动力,分别提出了基于平根数和瞬根数的两类稳定编队设计方案,深入讨论了椭圆轨道航天器编队运动的稳定性。基于平根数的稳定编队设计方案基本可以实现轨道面内的稳定相对运动,但垂直轨道面相对运动的稳定性难以同步,仅在特殊情况下才能够实现。对五种基本编队,分析了主航天器瞬时轨道根数对相对运动稳定性的影响规律,并应用平根数方法给予验证;当实际编队为基本编队的耦合时,应用平根数和数值方法可得到稳定相对运动对应的（ ）ic ,ωc ,Mc0或（Δa ,Δe,Δi ,Δω,ΔM）,由此提出基于瞬根数的稳定编队设计方案;该方案可设计出轨道面内的稳定编队构形,但对垂直轨道面分量的约束有限。应用近距离编队动力学模型,分析了椭圆轨道相对运动轨迹的五种基本特性,提出了单/双/多从航天器情况下的九种有应用价值的编队构形。单从航天器构形可作为复杂构形的基本单元;双从航天器构形适合在轨目标的测量与监视以及对地观测等任务;多从航天器构形适合深空探测、空间目标监视与侦察等任务。应用稳定编队设计研究成果,解决了空间信息对抗直线编队以及MMS任务四面体编队的J2项稳定性设计问题。针对空间信息对抗任务,平根数和瞬根数设计方案均使直线编队性能得到显著提高。针对MMS任务,平根数设计方案对远地点侧编队性能改善程度有限,而瞬根数设计方案既提高了编队平均性能,又在一定程度上满足了该任务对相对位置保持的要求。初步探讨了大气阻力和太阳辐射光压单独影响下椭圆轨道异面质比航天器间相对运动的基本特性,提出了基于瞬根数的两种稳定编队设计方案。其中,以相对半长轴或相对偏心率为变量的稳定编队设计方案一适合工程应用;以主航天器轨道倾角、升交点赤经、近地点纬度幅角和平近点角初值为变量的稳定编队设计方案二不适合参考轨道给定的编队任务。当同时考虑三种摄动力时,两种方案均可实现利用阻力和SRP最大限度降低J2项对相对运动影响的目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 编队飞行发展概况
• 1.1.1 编队飞行概念
• 1.1.2 编队飞行优势
• 1.1.3 编队飞行应用模式
• 1.1.4 编队飞行研究计划
• 1.2 国内外相关研究综述
• 1.2.1 编队飞行相对运动学
• 1.2.2 编队飞行构形设计
• 1.2.3 编队飞行J2 项摄动分析与设计
• 1.2.4 异面质比航天器编队摄动分析与设计
• 1.2.5 编队构形设计应用与分析
• 1.3 论文研究内容及创新点
• 1.3.1 论文内容与章节安排
• 1.3.2 论文主要创新点
• 第二章 编队飞行相对运动学
• 2.1 引言
• 2.2 研究基础
• 2.2.1 坐标系
• 2.2.2 基本约定
• 2.3 精确相对运动模型
• 2.3.1 单位球模型
• 2.3.2 模型适用性
• 2.4 一阶相对运动模型
• 2.4.1 相对运动模型
• 2.4.2 保持长期编队条件
• 2.4.3 模型精度分析
• 2.5 二阶相对运动模型
• 2.5.1 相对运动模型
• 2.5.2 模型精度分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 编队飞行构形设计
• 3.1 引言
• 3.2 相对轨迹特性分析
• 3.2.1 基本相对轨迹
• 3.2.2 相对轨迹特性
• 3.3 典型编队构形设计
• 3.3.1 单从航天器编队构形
• 3.3.2 双从航天器编队构形
• 3.3.3 多从航天器编队构形
• 3.4 本章小结
• 2项摄动分析与设计'>第四章 编队飞行J₂项摄动分析与设计
• 4.1 引言
• 4.2 受摄相对运动模型
• 4.2.1 摄动加速度
• 4.2.2 基于运动方程的精确模型
• 4.2.3 基于轨道根数的近似模型
• 4.2.4 两种模型精度比较
• 4.3 受摄相对运动特性
• 4.4 基于平根数的稳定编队设计
• 4.4.1 稳定编队设计方案一
• 4.4.2 稳定编队设计方案二
• 4.4.3 稳定编队设计算例
• 4.5 基于瞬根数的稳定编队设计
• 4.5.1 受摄相对运动分析
• 4.5.2 稳定编队设计机理
• 4.5.3 稳定编队设计方案一
• 4.5.4 稳定编队设计方案二
• 4.5.5 稳定编队设计方案三
• 4.6 本章小结
• 第五章 异面质比航天器编队摄动分析与设计
• 5.1 引言
• 5.2 考虑阻力的相对运动模型
• 5.2.1 基于高斯方程的精确模型
• 5.2.2 基于平根数的近似模型
• 5.2.3 两种模型精度比较
• 5.2.4 受摄相对运动特性
• 5.3 考虑阻力的稳定编队设计
• 5.3.1 稳定编队设计方案一
• 5.3.2 稳定编队设计方案二
• 5.4 考虑SRP 的相对运动模型
• 5.4.1 基于运动方程的精确模型
• 5.4.2 受摄相对运动特性
• 5.5 考虑SRP 的稳定编队设计
• 5.5.1 稳定编队设计方案一
• 5.5.2 稳定编队设计方案二
• 5.6 考虑多种摄动力的稳定编队设计
• 5.6.1 稳定编队设计方案一
• 5.6.2 稳定编队设计方案二
• 5.7 本章小结
• 第六章 编队构形设计应用与分析
• 6.1 引言
• 6.2 空间信息对抗编队构形设计
• 6.2.1 任务设计要求
• 6.2.2 直线编队构形设计
• 6.2.3 考虑J2 项的稳定编队设计
• 6.3 MMS 任务编队构形设计
• 6.3.1 任务设计要求
• 6.3.2 设计性能指标
• 6.3.3 四面体编队构形设计
• 2 项的稳定编队设计'>6.3.4 考虑J₂项的稳定编队设计
• 6.4 本章小结
• 结束语
• 论文主要工作总结
• 下一步工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和撰写的报告
• 攻读博士学位期间参加的科研项目