编队卫星碰撞风险评估及安全控制研究

发布时间：2017-05-27 20:00

  本文关键词：编队卫星碰撞风险评估及安全控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：编队卫星技术是航天技术发展的一个前沿方向,而围绕卫星编队的碰撞规避问题是一个重要难题。本论文以卫星编队为研究对象,从编队卫星相对运动模型描述出发,在此基础上完成编队卫星碰撞风险评估,并对编队卫星碰撞规避问题进行了研究。使用基于相对E/I矢量推导了卫星编队的相对运动模型,并进行了摄动情况下的构型变化分析。对初始的导航误差在基于相对E/I矢量的相对运动模型下的传导特性进行分析,该分析方法较之CW方程下的传导分析更为简洁直观。通过加入J2摄动项,提高了以前分析模型的精度,使得对误差协方差矩阵的长时间预测更加准确真实。利用概率理论完成了基于概率积分的碰撞风险评估,为碰撞事件预测和规避规划提供了评判标准。讨论了空间碎片规避的短期回避策略和中期回避策略,针对短期回避问题,提出了一种适用于碎片规避的基于梯度下降法的规避方法,使将机动之后的位置沿着预计碰撞点的碰撞概率密度函数的负梯度方向偏移。对于短期制导过程中各项误差对制导精度的影响,提出了一种基于误差校正的优化方法。通过对算例进行仿真分析,验证了方法的可行性。针对编队卫星间的碰撞规避问题,提出了一种有效的机动控制方法。首先对目标设定椭球状的碰撞区域,对于初始时刻在碰撞区域内的卫星,通过机动使伴飞卫星离开该碰撞区域。同时对最终时刻的卫星的迹向漂移速度加以限制,防止构型的过度发散。在卫星离开碰撞区域后,为保证垂直迹向的平面上的安全距离,需要对垂直迹向的平面上的距离加以限制。最终结合这些约束条件,就燃料消耗最少的目标进行优化。
【关键词】：编队卫星 碰撞概率 空间碎片 防碰撞 协方差矩阵
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2;V528
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-18
• 1.1 课题研究背景及意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-17
• 1.2.1 编队飞行应用发展现状9-11
• 1.2.2 相对运动动力学及轨道构型设计研究现状11-13
• 1.2.3 航天器与空间碎片碰撞问题研究现状13-15
• 1.2.4 编队卫星碰撞问题研究现状15-17
• 1.3 主要研究内容17-18
• 第2章 相关基础理论18-29
• 2.1 引言18
• 2.2 坐标系定义18
• 2.3 基于相对E/I矢量的动力学建模18-26
• 2.3.1 相对E/I矢量描述19-20
• 2.3.2 基于E/I矢量的无摄动相对动力学建模20
• 2.3.3 摄动情况下基于E/I矢量的相对动力学建模20-26
• 2.4 基于误差椭球的概率分析26-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 基于概率分析的编队卫星碰撞风险评估29-52
• 3.1 引言29
• 3.2 空间目标与编队卫星碰撞概率分析29-39
• 3.2.1 空间目标碰撞预警的解析方法29-35
• 3.2.2 基于概率椭球的碰撞风险分析35-39
• 3.3 编队卫星间碰撞概率分析39-50
• 3.3.1 基于相对E/I矢量平行配置的安全性设计39-43
• 3.3.2 基于E/I矢量模型的误差传递特性43-45
• 3.3.3 基于三维椭球的星间碰撞概率计算45-46
• 3.3.4 仿真结果及分析46-50
• 3.4 本章小结50-52
• 第4章 针对空间碎片的碰撞规避策略52-63
• 4.1 引言52-53
• 4.2 基于梯度下降法的短期回避策略53-60
• 4.2.1 导航误差引起的制导误差55
• 4.2.2 摄动力引起的误差55-56
• 4.2.3 控制误差引起的误差56-57
• 4.2.4 基于误差校正的控制方法57
• 4.2.5 算例57-60
• 4.3 中期回避策略60-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第5章 编队卫星内部的碰撞规避策略63-77
• 5.1 引言63
• 5.2 长期运行过程中的构型安全性63-64
• 5.2.1 构型约束63
• 5.2.2 任务约束63-64
• 5.2.3 防御性约束64
• 5.2.4 技术约束64
• 5.3 故障模式下编队碰撞规避控制64-72
• 5.3.1 故障因素65
• 5.3.2 规避机动控制65-71
• 5.3.3 径向推力缺失时的规避机动控制71-72
• 5.4 仿真算例72-76
• 5.5 本章小结76-77
• 结论77-78
• 参考文献78-82
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果82-84
• 致谢84

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 安雪滢,杨乐平,张为华,郗晓宁;大椭圆轨道航天器编队飞行相对运动分析[J];国防科技大学学报;2005年02期

2 林来兴;;分布式小卫星系统的技术发展与应用前景[J];航天器工程;2010年01期

3 白显宗;陈磊;张翼;唐国金;;空间目标碰撞预警技术研究综述[J];宇航学报;2013年08期

4 张天平;周昊澄;孙小菁;王小永;;小卫星领域应用电推进技术的评述[J];真空与低温;2014年04期

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本文编号：401002