近地轨道复杂摄动环境下卫星长期编队飞行燃料最省控制策略研究

在近地轨道复杂摄动环境下，实现长期卫星编队飞行的关键是将编队飞行的卫星精确地送入顺从保守摄动力的周期或准周期相对轨道，尽可能避免消耗燃料去修正摄动力对卫星编队队形的破坏。为实现这一目标，一方面本项目将研究：顺从摄动的周期和准周期相对轨道在全自由度空间内的约束条件，以及满足周期或准周期相对轨道约束条件的长期卫星编队飞行初值的解析计算方法。这些问题的解决可以帮助卫星精确地进入顺从主要保守摄动力的周期性相对轨道，减缓卫星在自由飞行阶段的发散速率，从而极大地降低长期卫星编队飞行的燃料消耗。另一方面本项目还将研究：考虑大气阻力和高阶带谐非球形引力的卫星相对运动的精确动力学模型，以及能够实现顺从摄动的长期卫星编队飞行的控制算法。这些问题的解决将帮助卫星在主动控制阶段尽可能减小对大气阻力和保守摄动力的无效抵抗，从而进一步降低燃料的消耗。

卫星编队飞行是未来空间技术发展的方向之一，受到世界各国航天界普遍关注和重视。针对卫星携带燃料有限的实际情况，本研究提出了一整套理论，系统地解决了卫星相对运动的动力学模型、卫星编队的队形设计和长期编队飞行的控制问题。本研究完成的具体工作如下：.(1) 深入研究了摄动条件下的卫星相对运动，推导了若干情况下卫星编队的精确模型。包括，i）基于参考卫星轨道要素RSV的可精确到任意阶带谐摄动的卫星相对运动动力学模型；ii）近地轨道卫星在第三体引力摄动下基于参考卫星轨道要素RSV的卫星运动方程以及卫星编队飞行的相对运动动力学模型；iii）在LVLH坐标系下考虑了 摄动的基于平均运动的卫星相对运动方程。.(2) 提出了 摄动下周期和准周期卫星编队的设计理论。 摄动力对近地轨道的卫星编队影响非常大，是实现长期卫星编队飞行的最主要障碍。本研究利用在 摄动下的相对运动模型提出并证明了临界和次临界倾角轨道下的周期和准周期轨道的约束条件。给出了 摄动下各种类圆形相对轨道的周期和准周期卫星编队的完整设计方法。.(3) 提出了若干种顺从 摄动的燃料最省的卫星编队控制策略。包括，i）基于求解线性时变系统微分黎卡提方程的卫星编队保持的燃料最省控制策略；ii）基于勒让德伪谱法求解非线性动力学系统的卫星编队燃料最省控制策略；iii）基于线性规划方法求解的卫星编队燃料最省模型预测控制策略。.本研究还开发了一套高精度的仿真系统用于验证和评估上述研究成果。结果表明，本研究建立的卫星相对运动的动力学模型、卫星编队的队形设计方法可以有效地保证卫星能够飞行在顺从主要保守摄动力的周期性相对轨道上，减缓卫星在自由飞行阶段的发散速率，极大地降低长期卫星编队飞行的燃料消耗。另一方面本研究提出的顺从摄动的控制策略可以使得卫星在主动控制阶段尽可能减小对主要摄动力的无效抵抗，从而进一步降低燃料的消耗。