卫星组网动力学技术研究

论文摘要

随着空间技术的发展,现代小卫星技术正在日益走向成熟,必将会发挥出越来越大的作用。卫星组网为小卫星开辟了新的应用方向和发展空间。本文从动力学的角度出发,对卫星组网进行了有意义的探索和研究。 首先基于二体假设,本文介绍了研究卫星组网中卫星运动所需的三个坐标系和描述卫星轨道的六个经典轨道要素,其次讨论了二体动力学模型和航天器相对运动动力学模型,推导了二体动力学模型中的相关公式和航天器交会的相对运动动力学方程。 在卫星组网过程中涉及到许多轨道机动过程,本文介绍了轨道机动中常用的几种方法并进行了比较,其中重点介绍了Lambert方法,指出单圈Lambert方法在飞行时间过长时,会出现转移轨道偏心率过大的问题;接着给出了能够解决该问题的多圈Lambert方法;最后提出了一种自适应的Lambert方法,以满足高精度要求。 卫星编队的保持和控制是编队飞行的一项关键技术,本文对卫星相对运动中的最优交会技术进行了深入研究。分别介绍了相对运动中的二冲量最优交会和多冲量最优交会算法,并利用小生境遗传算法对多冲量交会对接进行了全局优化。 误差分析手段能够对动力学方法进行分析,得到每种算法的精确程度,为选择合适的算法提供精度准则,同时也能为轨道机动提供偏差预报。本文详细介绍了误差分析中用到的几项关键技术,在此基础上给出了考虑地球非球形引力摄动影响的误差分析具体过程并加以实现。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 章节组织
• 第二章 卫星轨道动力学模型
• 2.1 引言
• 2.2 相关坐标系介绍
• 2.3 经典轨道要素介绍
• 2.4 卫星轨道动力学模型
• 2.4.1 二体动力学模型
• 2.4.2 航天器相对运动动力学模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 最优变轨技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 轨道机动常用方法介绍
• 3.2.1 霍曼转移
• 3.2.2 Lambert方法
• 3.3 普适变量法求解Lambert问题
• 3.3.1 普适变量x的定义
• 3.3.2 普适变量z的定义
• 3.3.3 Lambert问题求解过程
• 3.3.4 求解普适变量z的迭代法
• 3.4 单圈Lambert方法存在的问题
• 3.5 多圈Lambert方法的求解过程
• 3.6 自适应的Lambert方法
• 3.7 本章小结
• 第四章 相对运动最优交会技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 二冲量交会问题求解
• 4.2.1 第一个冲量的求解
• 4.2.2 第二个冲量的求解
• 4.2.3 最终燃料消耗的计算
• 4.3 多冲量交会问题求解
• 4.3.1 多冲量的求解
• 4.3.2 遗传算法介绍
• 4.3.3 利用基本遗传算法进行优化
• 4.3.4 利用小生境遗传算法进行优化
• 4.4 本章小结
• 第五章 动力学中的误差分析
• 5.1 引言
• 5.2 误差分析具体过程
• 5.3 地心距和速度矢量在两坐标系之间的转换
• 5.4 由地心距和速度矢量决定中间转移轨道根数
• 0时刻的轨道根数计算t时刻的地心距和速度矢量'>5.5 由t₀时刻的轨道根数计算t时刻的地心距和速度矢量
• 5.5.1 求解轨道根数摄动方程的平均根数法
• 5.5.2 平均根数法与STK计算结果的比较
• 5.5.3 根据轨道根数计算当前时刻的地心距和速度矢量
• 5.6 本章小结
• 第六章 卫星组网实验平台简介
• 6.1 实验平台整体框架
• 6.2 实验平台中的主要类
• 第七章 总结和展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢