航天器轨道动力学与控制下

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STK是Systems Tool Kit系统工具包的简称（原卫星工具包Satellite Tool Kit），是由美国Analytical Graphics公司开发的一款在航天领域处于领先地位的商业分析软件。STK支持航天任务的全过程，包括设计、 测试、发射、运行和任务应用。 最初，STK是作为一款专业的航天方面的仿真工具使用的，随着其不断的发 展，它逐渐集成了通信、导航、雷达和光电等方面的内容，STK可以对2D与3D建模环境评估系统的性能， 在使用STK的任务环境的背景下，模拟复杂的系统，如飞机，卫星，地面车辆和传感器，评估系统在真实或 模拟的环境下的性能，因此受到了各军工业、研究所的欢迎和支持。
轨
道
机
动
轨道机动的分类 脉冲式机动：发动机工作时间非常短，可以认为速度变化为瞬时完成， 也可再分为单脉冲轨道机动和双脉冲轨道机动； 连续式机动：小推力控制，作用持续一段时间。
变轨控制工程的实现
导航和导引
1
姿态测量的限制3Biblioteka 推进发动机的限制5
2
4
姿态稳定
飞行要求和操作复 杂性的限制
变 轨 的 推 力 模 型
小 特 征 速 度 变 轨
由能量方程式可得：
两边求一次微分：
得出：
基于轨道的瞬时假设，在轨道上 的某点速度v改变而半径r不变则
������a≈2a2/������ V������V
定
点
捕
获
西漂
东漂
轨
道
保
持
影响因素 ●地球扁率影响 ●太阳和月球的引力作用 ●太阳辐射压力 ●大气阻力
轨道保持 ●使实际轨道与预定轨 道维持在误差范围内 ●主动对航天器进行轨 道修正 ●依赖地面测控指令或 星上自主控制
主要阶段 ★地面导引：追踪航天器在地面飞行控制 中心的操控下，经过若干次的变轨，进入 到可以捕捉目标航天器的范围内； ★自动寻的：追踪航天器根据自身的微波 和激光敏感器测得的与目标航天器的相对 运动参数，自动引导到目标航天器附近的 初始瞄准点； ★停靠对接：两个航天器相对航天器相对 速度为零或者相对一定距离之内停靠，停 靠之后进行对接。无碰撞的停靠将为对接 创造良好的工作条件。
航天器轨道动力学 与控制（下）
汇报人：马佳
Part one
轨道控制概述
航 天 器 轨 道 概 述
航天器轨道一般由主动飞行段和自由飞行段组成，主动飞行段是变轨发 动机点火段，变轨发动机熄火后是自由飞行段。
根据航天器现有的位置和速度、航天器的飞
制导
行目标以及受控运动的限制条件，确定航天 器在推力作用下继续飞行的规律。
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Active Template Library活动(动态)模板库，是一种微软程序库，支持利用C++语言编写ASP代 码以及其它Active X程序。通过活动模板库，可以建立COM组建，然后通过ASP页面中的脚本对 COM对象进行调用。这种COM组件可以包含属性页、对话框等控件。 ATL具有常用特殊卫星轨道设计、普通轨道设计、高精度轨道递推、长期轨道预报以及一定的星 下点轨迹、覆盖、可见性分析等功能。
始终在同一平面内运动的航体器稳定平台
空
间
六
分
仪
推
进
分
系
统
变轨控制和轨道机动
变轨和轨道机动都是有目的地使航天器从已有的自由飞行轨道出 发，最终到达另一条预定的自由飞行轨道的操作过程。 轨道拦截 轨道交会 轨道转移
按照目标轨 道要求
轨道修正 一般轨道机动
按照特征 速度大小
按照轨道 控制力
脉冲推力机动 连续（有限）推力机动 小推力机动
航 天 器 返 回 过 程
★调姿段 ★制动段
★过渡段
★再入段
★着陆段
航 天 器 返 回 过 程
阻力太大
航 天 器 返 回 方 式
弹道式
升阻比在0-0.1范围内的航天 器再入返回为弹道式再入返 回
弹道-升力式
升阻比在0.1-0.5范围内的航 天器再入返回为弹道-升力式 再入返回
升力式
升阻比大于0.5的航天器再入 返回为升力式再入返回
★相对位置控制 星座中各卫星的升交点和轨道 面夹角的变化率和相对相位保 持相同值
航 天 器 交 会 对 接
航天器交会时对接是指两个航天 器于同一时间在轨道同一位置以
相同速度相会合并在结构上连成
一个整体的技术。交会的航天器 不一定会对接（如轨道拦截）， 对接的航天器一定会交会。
航 天 器 交 会 对 接
航 天 器 交 会 对 接
空间交会对接飞行程序
航 天 器 交 会 对 接
控制 方式
空 间 交 会 对 接 导 航
自主RDV制导系统框图
空 间 交 会 对 接 导 航
交会对接各阶段自主测量组合方式
空 间 交 会 对 接 导 航
追踪航天器敏感器性能
测量体制
航天器的发射与返回
航天器的发射与返回
非自主轨道控制
单脉冲雷达 多普勒测速仪 干涉仪 光学摄影机
自主轨道控制
惯性参考基准 近体敏感器
自主导航
天文导航方法 地球目标参考基准 已知信标的距离测量 惯性导航
惯
性
导
航
惯性导航利用惯性部件（加速度计和陀螺） 实现，可以在星上自主确定航天器位置和 速度。
捷联式惯性测量系统通过陀螺和加速度计 测量航天器相对于惯性空间的角速度和线 加速度，并由计算机获得航天器的位置、 速度和姿态等信息。
轨 道 保 持 应 用
电子侦 察卫星
太阳同步轨道
静止轨道卫星
静 止 轨 道 保 持
★日月引力产生的对轨道倾角的长期及长周期摄动是南北位 置保持的主要摄动项； ★卫星的东西位置依赖于平经度及偏心率，日月摄动以及地 球非球形摄动均有平经度恒定漂移
静 止 轨 道 保 持
星 座 轨 道 控 制
★绝对位置控制 星座中各卫星的升交点和轨道 面夹角的变化率和相对相位保 持同一数值
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敬
请
指
导
轨
道
修
正
航天在预定轨道上运动的时候由于大气
摄动、地球扁率、太阳和月球的引力等
影响，航天器会脱离原有轨道。 可在近地拱点或远地拱点改变速度，修 正轨道误差，使航天器重新回到原有运 行轨道.
小 特 征 速 度 变 轨 小特征速度变轨用于轨道修正。假定在变轨前后的轨道积分常数改变不大，燃料消耗不大，认为航天 器的质量为常数，这样便可得到线性动力学方程。
使航天器脱离原来的轨道， 返回大气层的控制。
轨道保持
再入返回
轨 道 控 制 系 统
轨道控制系统是实现航天器轨道控制的装置的组合。轨道控制系统分为测 量系统、控制器和推进系统。 控制器 推进系统 速度增量∆V 航天器
测 量 系 统
轨道控制要求 （包括姿态控制要求）
轨道控制系统原理方块图
Part two
导航
确定航天器的位置矢量和速度矢量。
控制
把航天器的本体坐标系稳定在所要求的 基准坐标系附件。
轨 道 控 制 分 类
轨道机动
使航天器从一个自由 飞行段轨道转移到另 一个自由飞行段轨道 的控制。
轨道交会
航天器能与另一个航天 器在同一时间以同一速 度达到空间同一位置而 实施的控制过程。
克服摄动影响，使航天器轨道的 某些参数保持不变的而控制。
轨道控制
轨 道 控 制 方 法
航天器的轨道控制可以采 用两种方法实现即非自主
轨道控制和自主轨道控制。
●非自主轨道控制 依赖于地面干预，由星载 仪器和地面设备联合实现 的控制。
非自主轨道控制原理方块图 航天器轨 道控制
●自主轨道控制
不依赖地面干预，完全有 星载仪器实现的控制。
自主轨道控制原理方块图
轨 道 测 量 系 统
Part three
工作映射
Matlab simulink 仿真 M M
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建 模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿 真中。 Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也 就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。