编队卫星群协同飞行的轨道机动动力学与控制研究

多星编队协同机动是提高编队卫星技术性能的关键技术之一。本项目在建立协同飞行卫星群整体机动与群间卫星相对机动的轨道动力学模型基础上，对比分析Kepler和非Kepler两种轨道转移模式下协同机动卫星群队形保持特点，研究Kepler轨道转移和非Kepler轨道转移的关联性，探讨采用非Kepler轨道实现低能耗卫星群协同轨道机动的方法，从而研究卫星群协同机动的约束条件。同时在本项目中拟建立协同飞行卫星群机动的碰撞概率模型，推导碰撞概率的函数表达式，探讨卫星群协同轨道机动的避碰方法。通过建立碰撞避免、燃料均衡等约束条件下的燃料最优或时间最优的群整体机动轨道的优化模型，研究卫星群机动的燃料消耗均衡问题以及机动路径规划方法。此外，本项目还将探讨卫星群协同机动过程中队形重构问题。本项目的实施将丰富编队卫星群协同机动轨道动力学的基础理论，为高安全性、高经济性的协同飞行编队卫星群实际应用奠定基础。

多星编队协同机动是提高编队卫星技术性能的关键技术之一。项目组在基金的支持下对相关问题开展了深入的研究，已完成的主要工作为：.1、对编队卫星相对运动进行了动力学分析，对比分析了可以反应参考轨道偏心率和摄动影响的几何法状态转移矩阵与C-W方程的优缺点，并进行了误差分析。应用几何法模型分析了J2摄动影响下的圆轨道和椭圆轨道上的相对轨道构形。采用几何方法推导了包含连续推力控制项的相对轨道要素差的状态转移矩阵以及相对运动状态与相对轨道要素差之间的几何转换矩阵，建立了基于Lyapunov函数反馈控制的航天器编队连续推力轨道转移问题的动力学模型.2 、使用优化方法对航天器编队远距离协同轨道机动策略进行优化设计。考虑了航天器远距离协同轨道机动与编队队形保持的耦合，选择了适当的数值优化算法，优化指标为变轨燃料最少、编队保持燃料最少或变轨燃料、编队保持燃料和机动时间加权最小。对航天器编队异面轨道机动，引入队形调整机动过程，解决了异面机动瞬间带来的轨道坐标系旋转和队形发散问题。.3、在编队卫星轨迹安全分析方法方面。系统地给出了编队卫星碰撞概率的描述方式与评估方法，给出了编队卫星整体及部分卫星碰撞可能性的描述指标。中心平均法计算瞬时碰撞概率及相对轨迹的总碰撞概率，能在保证准确性的前提下能提高计算效率，从而保证计算的实时性与高效性。研究了发动机推力误差、构型保持控制推力误差对协同机动的安全性的影响。研究显示：轨道转移推力误差对碰撞概率的影响体现在状态转移矩阵中，对碰撞概率密度分布有直接影响；构型保持控制推力误差对碰撞概率的影响则体现在相对轨道上。.4、针对卫星编队的有主星协同和无主星协同结构，研究了编队整体转移机动的连续推力的滑模变结构控制方法，并对两种结构编队转移进行了对比。根据基于图论的一致性控制理论，结合航天器轨道运动的性质和编队卫星相对运动的特点，选择合适的一致性协议形式，同时基于多种相对运动模型，提出相应的协同机动算法。 基于一阶一致性协议对编队卫星轨道机动策略进行了分析与优化设计。 基于二阶一致性协议对编队卫星构形初始化及重构协同机动进行了分析。. 5、 基于碰撞概率的卫星群近距离协同机动、卫星重构一致性协同机动的安全分析与优化。通过计算协同机动、重构时的编队卫星碰撞概率，分析控制参数对编队卫星系统的碰撞概率影响，在保证安全性的同时实现卫星群协同机动燃料消耗最小的控制参数优化。