航天器编队飞行的动力学解析分析与阵形设计研究

IMECH-IR > 力学所知识产出(1956-2008)

	航天器编队飞行的动力学解析分析与阵形设计研究
	孙兰
导师	张珩
	2004
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
学位类别	博士
学位专业	一般力学与力学基础
关键词	航天器相对运动编队飞行稀疏编队轨道设计卫星导航
摘要	随着微电子、微机械技术的进步，现代航天器逐渐向体积小、重量轻的趋势发展。结构的轻型化和小型化使得微小航天器在制造和发射上的成本大大降低，同时也使得微小航天器难以独立携带复杂的载O如何开发和利用多颗微小航天器的集群功能来完成复杂的航天任务已日趋成为各航天机构的研究热点，航天器编队飞行即是在这种背景下应运而生的。所谓航天器编队飞行，是指若干颗航天器在整个任务期间都按一定的几何形状排列和飞行，以实现资源共享、信息共享，共同完成某一特定功能。研究表明，航天器编队飞行可用于实现多种功能，如绕飞监视、天基合成孔径雷达、天基干涉仪、电子侦察及卫星导航等。诚然，若人为地施加燃料控制，航天器群可以实现所有的几何构型，然而付出的代价是巨大的。本文立足于最大限度地利用航天器的自然轨道特征，而非通过不断消耗燃料的方法实现航天器群的编队飞行。航天器编队飞行实质上对于航天器群的相对运动提出了一定的约束条件，因此充分地研究两航天器之间的相对运动是进行航天器编队设计的理论基础。然而，这一理论基础与航天器编队飞行所需结论之间仍存在很远的距离。本文在航天器相对运动的理论基础上，通过解析分析的方法研究了航天器编队飞行所需解决的一系列问题，例如：如何选择可行的编队阵形，如何在满足编队飞行约束条件下，进行航天器群的轨道设计。首先，本文在不考虑摄动力情况下，建立了两个航天器相对运动的微分方程，并得到了描述两航天器相对运动的解析解；其次，针对目前文献广泛应用的C-w方程及其解进行了理论分析，指出C-W方程解应用于编队飞行设计的局限性，即只能适用于近圆轨道近距离航天器的编队飞行设计；针对实际航天应用中常遇到的椭圆轨道航天器编队及远距离航天器编队，本文从相对运动解析解出发，经过一系列的数学推导与分析，导出了相应的编队设计公式；然后，本文考虑了环境摄动力如地球非球形摄动力、大气阻力、太阳光压力、第三引力体引力对于编队阵形的影响，以及摄动力情况下编队阵形的保持问题；最后，以卫星导航应用为例，利用本文导出的远距离编队公式设计了我国领土范围内的区域连续导航卫星系统，通过与目前的北斗卫星导航系统相比较，充分展示了航天器编队飞行的特点与应用优势。本文的创新之处体现在如下几方面：1、从理论上分析了目前广泛应用于编队飞行研究的C-W方程及其解的适用范围和局限性。2、将航天器编队飞行设计从近距离拓展至远距离，并针对名义航天器运行于圆轨道的情况，导出了名义航天器飞行方向远距离编队设计公式和大偏心率大相对倾角远距离编队设计公式。3、针对名义航天器运行于任意偏心率椭圆轨道，推导出近距离编队设计公式，并提出了5种新型编队阵形。4、首次在频域范围内研究航天器相对运动规律，突破了一般轨道参数法将航天器相对运动轨迹在近圆轨道近距离范围内进行泰勒展开的传统思路。
索取号	30107
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/23730
专题	力学所知识产出(1956-2008)
推荐引用方式 GB/T 7714	孙兰. 航天器编队飞行的动力学解析分析与阵形设计研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2004.

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