编队卫星星间碰撞及防碰撞技术研究

论文摘要

为确保编队卫星的安全,需要对星间的碰撞危险程度进行评估,并制定相应的规避防碰撞措施。本文采用碰撞概率、动力学分析和故障诊断等手段,分析了编队飞行时由干扰摄动和卫星故障引起的安全问题,并建立了防碰撞规避策略。全文主要工作包括:（1）总结了国内外分别基于短期相对运动和长期相对运动的碰撞概率计算方法,介绍了针对动态系统的故障诊断方法,具体分析了星间防碰撞措施。（2）对卫星碰撞概率的计算方法进行了深入研究。针对短期相对运动,介绍了一种计算碰撞概率的方法,将二维边缘碰撞概率密度函数在相遇平面上联合包络球体形成的投影区域内积分得到碰撞概率。随后又介绍了其他三种计算短期相对运动碰撞概率的计算方法,并对四种方法计算的碰撞概率结果进行了比较。根据长期相对运动的特点,定义了时变坐标系,将相对位置协方差矩阵和联合包络球体实时投影该坐标系中,以计算长期相对运动时的总碰撞概率。为更有效的评估编队卫星碰撞危险程度,定义了拟最大瞬时碰撞率。（3）在圆参考轨道的假设下,基于碰撞概率制定了一套防碰撞安全评判准则。根据C-W方程提出了两种计算规避机动的方法:一种是基于碰撞概率的计算方法,通过求碰撞概率对于机动速度方向的梯度来确定其方向,根据碰撞概率和机动速度大小的关系可以确定出需要的机动速度值;另一种为基于相遇时的相对几何构型的规避机动,即在给定最小相对距离约束的情况下,计算所需的机动速度值;（4）对编队卫星的故障因素进行了比较全面的分析。针对同时采用两个测量装置,即无线电和GPS的编队卫星可能发生的测量器件硬故障情况,提出了两种基于解析余度的状态估计故障诊断方法。即首先分别采用无线电测量和GPS测量得到的测量数据作为观测量并联合编队卫星的相对状态进行广义卡尔曼滤波,然后得到残差序列,基于该残差序列设计出了残差加权平方和检验法和残差χ2检验法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 编队碰撞因素及防碰撞措施技术综述
• 1.2.1 编队碰撞问题概述
• 1.2.2 星间防碰撞技术
• 1.3 研究思路和主要研究内容
• 1.3.1 研究思路
• 1.3.2 主要研究内容
• 第二章 编队卫星飞行碰撞分析
• 2.1 相关坐标系的定义及其转换
• 2.1.1 坐标系定义
• 2.1.2 坐标系间的转换
• 2.2 编队飞行相对动力学方程
• 2.2.1 基于圆参考轨道的相对动力学方程
• 2.2.2 基于椭圆轨道的相对动力学方程
• 2.3 碰撞概率计算方法
• 2.3.1 短期相对运动碰撞概率计算方法
• 2.3.2 长期相对运动碰撞概率计算方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于碰撞概率的编队星间防碰撞措施研究
• 3.1 卫星相对飞行状态及其误差协方差演化
• 3.1.1 编队飞行状态方程
• 3.1.2 误差协方差矩阵的演化
• 3.2 编队飞行星间相对状态安全分析方法
• 3.2.1 编队星间碰撞概率计算
• 3.2.2 编队安全评判准则
• 3.2.3 算例
• 3.3 编队星间防碰撞规避机动措施方法
• 3.3.1 防碰撞规避机动原理
• 3.3.2 防碰撞规避机动计算方法
• 3.3.3 算例
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于故障诊断的编队星间碰撞研究
• 4.1 编队卫星故障因素分析
• 4.2 建立编队飞行系统方程
• 4.2.1 建立编队飞行状态方程
• 4.2.2 建立编队飞行测量方程
• 4.3 基于扩展卡尔曼滤波的故障检测和分离
• 4.3.1 扩展卡尔曼滤波及其残差序列的性质
• 4.3.2 基于扩展卡尔曼滤波的故障检测和分离
• 4.3.3 算例
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 论文研究内容总结
• 5.2 主要结论
• 5.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果