编队卫星碰撞风险评估及安全控制研究

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。
　　本文使用基于相对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。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 相关基础理论

2.1 引言

2.2 坐标系定义

2.3 基于相对E/I矢量的动力学建模

2.4 基于误差椭球的概率分析

2.5 本章小结

第3章 基于概率分析的编队卫星碰撞风险评估

3.1 引言

3.2 空间目标与编队卫星碰撞概率分析

3.3 编队卫星间碰撞概率分析

3.4 本章小结

第4章 针对空间碎片的碰撞规避策略

4.1 引言

4.2 基于梯度下降法的短期回避策略

4.3 中期回避策略

4.4 本章小结

第5章 编队卫星内部的碰撞规避策略

5.1 引言

5.2 长期运行过程中的构型安全性

5.3 故障模式下编队碰撞规避控制

5.4 仿真算例

5.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢