椭圆轨道航天器导航制导与控制技术

航天器和导弹制导、导航与控制

 

第1章
绪论
1．1 椭圆轨道特点
1．2 椭圆轨道卫星应用发展
1．3 椭圆轨道航天器控制系统的关键问题
1．4 本书结构
参考文献

第2章
大椭圆轨道航天器轨道设计
2．1 引言
2．2 椭圆轨道动力学分析
2．2．1 椭圆轨道的基本特性
2．2．2 椭圆轨道摄动
2．3 椭圆轨道自主轨道预报
2．3．1 椭圆轨道自主预报
2．3．2 椭圆星载轨道预报算法
2．3．3 椭圆轨道动力学模型分析与简化
2．4 远地点交会轨道设计
2．4．1 椭圆轨道漂移特性分析
2．4．2 冻结椭圆轨道设计
2．4．3 小倾角椭圆轨道设计
2．5 遍历高轨卫星的椭圆轨道交会策略
参考文献

第3章
椭圆轨道编队构型设计
3．1 引言
3．2 基于代数法的编队构型设计
3．2．1 相对动力学方程
3．2．2 周期性相对运动
3．2．3 相对运动轨迹特性分析
3．2．4 绕飞构型设计
3．2．5 伴飞构型设计
3．3 基于几何法的编队构型设计
3．3．1 精确相对运动模型
3．3．2 一阶近似相对运动模型
3．3．3 编队构型设计
参考文献

第4章
全天域自主导航技术
4．1 引言
4．2 大椭圆轨道环境下常用自主导航方法
4．2．1 基于天文观测的大椭圆航天器自主导航技术
4．2．2 基于GNSS的大椭圆轨道航天器自主导航技术
4．3 基于SINS/GNSS/CNS组合的融合自主导航
4．3．1 空间惯性导航状态方程
4．3．2 SINS/星敏感器/GNSS组合导航观测方程
4．3．3 SINS/星敏感器/GNSS组合系统信息融合方法
参考文献

第5章
区域星座自主导航技术
第6章
星间相对导航技术
第7章
椭圆轨道编队构型维持技术
第8章
椭圆轨道自主交会技术
主要符号表

自从1957年首颗人造卫星上天伊始，人类探索太空的步伐就从未停止过，迄今为止全球已发射近6000颗卫星，目前在轨900多颗，这些卫星根据不同的任务需求大多分布在近地轨道、中轨道、地球同步轨道等近圆轨道。在不断提高卫星控制精度和能力的同时，以空间站为代表的交会对接技术也日趋成熟完善，并在人类开发空间的任务中发挥了重要作用。
　　纵观世界各国已发射的航天器，绝大多数运行在圆轨道或近圆轨道，这主要是综合考虑航天器实时定位、姿轨控制的难易程度以及地面测控站分布等因素后决定的。而另一类轨道——椭圆轨道近年来不断被各国开发利用，运行在该类轨道上的航天器与地球之间的距离在一个轨道周期内不断变化，在远地点运行速度慢，而经过近地点时的运行速度快。特别是近地点高度在近地轨道附近、远地点高度在地球同步轨道附近的大椭圆轨道，航天器可长时间运行在远地点附近。利用这一特性，航天器可在远地点对特定区域保持长时间的对地观测、通信等能力，特别是利用大倾角的大椭圆轨道，可实现圆轨道航天器无法实现的对地球上高纬度地区的长时间观测、通信，比较典型的例子就是俄罗斯的闪电（Molniya）系列通信卫星和美国的红外天基预警系统（SBIRS）；
　　严格来说，任何轨道都无法实现真正的圆轨道，但对于轨道偏心率非常小的近圆轨道，我们可以将其近似为圆轨道，从而简化航天器的定位与控制等任务要求。本书研究的重点是大椭圆轨道，特别是近地点高度在近地轨道附近、远地点高度在地球同步轨道附近此类具有较高实用价值的大椭圆轨道。
　　要利用好大椭圆轨道，航天器的导航、制导与控制（GNC）系统设计将面临一系列挑战。首先，根据不同任务需求，如何设计大椭圆轨道才能有针对性地发挥出航天器的优势，这是采用大椭圆轨道的前提。其次，大椭圆轨道航天器的轨道高度变化大，传统的适用于圆轨道的自主导航方式有很大局限性，特别是大椭圆轨道航天器运行到远地点附近时，无法利用GPS等导航卫星实现自主定位，因此大椭圆轨道航天器的自主导航必然需要寻求新的方法。同时，大椭圆轨道上的自主交会和编队飞行是进一步发挥大椭圆轨道价值的技术方向，但由于相对轨道动力学与圆轨道有本质的区别，航天器之间的相对运动制导和控制需要采用全新的方法。因此，针对椭圆轨道的导航、制导与控制技术研究必将推动世界航天技术进一步发展与完善。