（航空宇航科学与技术专业论文）椭圆轨道航天器编队飞行动力学及应用研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 随着编队飞行技术的日益成熟及其应用领域的不断拓展，椭圆轨道航天器编 队飞行逐渐引起国内外航天专家的关注。与圆轨道相比，椭圆轨道航天器编队飞 行理论研究更具一般性和挑战性，对未来空间探测和在轨服务具有重要应用价值。 本文重点对椭圆轨道航天器编队飞行的相对动力学、摄动分析、构形设计及其应 用问题进行研究和探讨。 本文建立了适合近距离和远距离编队的椭圆轨道航天器间相对运动模型。模 型精度分析表明，若相对误差要求不超过l o 。2 ，前者适合相对距离d 1 0 0k m 的编 队任务，后者适合相对距离d s l 0 0 0 k m 的编队任务。针对远距离编队的动力学模 型研究进一步拓展了已有研究成果，对空间探测、电子侦察、分布式导航等远距 离编队任务有很强应用价值。 考虑j 2 项摄动力，分别提出了基于平根数和瞬根数的两类稳定编队设计方案， 深入讨论了椭圆轨道航天器编队运动的稳定性。基于平根数的稳定编队设计方案 基本可以实现轨道面内的稳定相对运动，但垂直轨道面相对运动的稳定性难以同 步，仅在特殊情况下才能够实现。对五种基本编队，分析了主航天器瞬时轨道根 数对相对运动稳定性的影响规律，并应用平根数方法给予验证；当实际编队为基 本编队的耦合时，应用平根数和数值方法可得到稳定相对运动对应的( 屯，心， ) 或f 幻，a e ，a ，m ，m 1 ，由此提出基于瞬根数的稳定编队设计方案；该方案可设计 出轨道面内的稳定编队构形，但对垂直轨道面分量的约束有限。 应用近距离编队动力学模型，分析了椭圆轨道相对运动轨迹的五种基本特性， 提出了单，双，多从航天器情况下的九种有应用价值的编队构形。单从航天器构形可 作为复杂构形的基本单元；双从航天器构形适合在轨目标的测量与监视以及对地 观测等任务；多从航天器构形适合深空探测、空间目标监视与侦察等任务。 应用稳定编队设计研究成果，解决了空间信息对抗直线编队以及m m s 任务四 面体编队的j 2 项稳定性设计问题。针对空间信息对抗任务，平根数和瞬根数设计 方案均使直线编队性能得到显著提高。针对m m s 任务，平根数设计方案对远地点 侧编队性能改善程度有限，而瞬根数设计方案既提高了编队平均性能，又在一定 程度上满足了该任务对相对位置保持的要求。 初步探讨了大气阻力和太阳辐射光压单独影响下椭圆轨道异面质比航天器间 相对运动的基本特性，提出了基于瞬根数的两种稳定编队设计方案。其中，以相 对半长轴或相对偏心率为变量的稳定编队设计方案一适合工程应用；以主航天器 轨道倾角、升交点赤经、近地点纬度幅角和平近点角初值为变量的稳定编队设计 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 方案二不适合参考轨道给定的编队任务。当同时考虑三种摄动力时，两种方案均 可实现利用阻力和s r p 最大限度降低j 2 项对相对运动影响的目标。 主题词：椭圆轨道；航天器编队飞行；相对动力学；编队构形设计；j 2 项摄动： 空间信息对抗任务；m m s 任务 第i j 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff o r m a t i o nf l y i n gt e c h n o l o g ya n dt h ee x p a n s i o no fi t s o r b i t a la p p l i c a t i o n s ，s p a c e c r a f tf o r m a t i o n si ne c c e n t r i co r b i t sa t t r a c tm a n ya e r o s p a c e s p e c i a l i s t s a t t e n t i o ng r a d u a l l y i nc o m p a r i s o nw i t hc i r c u l a ro r b i t s i ti sac h a l l e n g ef o r n st os t u d yt h eg e n e r a lr e l a t i v em o t i o no ft w os p a c e c r a f t sa l o n ge l l i p t i co r b i t s n 他 r e l a t i v ed y n a m i c s ，p e r t u r b e dr e l a t i v em o t i o na n a l y s i s ，c o n f i g u r a t i o nd e s i g na n d a p p l i c a t i o n sa r ed i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y , i n v o l v e di nf o r m a t i o nf l y i n go ne c c e n t r i co r b i t s f i r s t l y ，f o rc l o s e l ya n dl o o s e l ys p a c e dv e h i c l e s ，t w oa p p r o x i m a t em o d e l se x p r e s s e d i no r b i t a le l e m e n t sa l ee s t a b l i s h e dt od e s c r i b et h er e l a t i v em o t i o nu s i n ga ne l l i p t i c r e f e r e n c eo r b i tr e s p e c t i v e l y 1 1 1 ea n a l y s i so ft h e i rm o d e l i n ge r r o r ss h o w st h a ti fa r e l a t i v ee r r o r 占sl o 2i sn e e d e d t h ef o r m e rf i t saf o r m a t i o nw i t has m a l li n t e r v a l d s l o o k ma n dt h el a t t e rf i t st h a tw i t ha l a r g ei n t e r v a ld 1 0 0 0 k m ，a n dt h ed y n a m i c m o d e lf o rl o o s e l ys p a c e dv e h i c l ef o r m a t i o n se x t e n d st h ee x t a n tr e s e a r c ha n dm a yb e w o r t h yo fs u c hm i s s i o n sa ss p a c ee x p l o r a t i o n , e l e c t r o n i cr e c o n n a i s s a n c e ，d i s t r i b u t e d n a v i g a t i o n s e c o n d l y ，u n d e rj 2p e r t u r b a t i o n , t w ok i n d so f s t a b l ef o r m a t i o nd e s i g n sd e s c r i b e di n m e a na n do s c u l a t i n go r b i t a le l e m e n t sr e s p e c t i v e l ya r ep r e s e n t e da n dt h es t a b i l i t yo f f o r m a t i o n so ne l l i p t i co r b i t si sd i s c u s s e dd e e p l y i nt w om e a no r b i t a le l e m e n td e s i g n s ，a s t a b l er e l a t i v em o t i o ni no r b i t a lp l a n ec a nb er e a l i z e d , b u tt h ec r o s s - t r a c km o t i o ni s s t a b l eo n l yi ns p e c i a li n s t a n c e s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tf i v ek i n d so f b a s i cp e r t u r b e dr e l a t i v em o t i o n sa r es e n s i t i v et ot h ec h i e fs p a c e c r a f t so s c u l a t i n g i n c l i n a t i o n , a r g u m e n to fp e r i g e ea n dm e a ua n o m a l y a n dt h e s et h r e eo s c u l a t i n go r b i t a l e l e m e n t sm a yl e a dt om i n i m l w f ld r i f t so ft h er e l a t i v em o t i o na ts o m es p e c i a lv a l u e s m o r e o v e r , t h ee x i s t e n c eo ft h e s em i n i m u md r i f t s i sv a l i d a t e du s i n gm e a no r b i t a l e l e m e n tt h e o r y w h e nt h er e a lr e l a t i v em o t i o ni st h ec o u p l i n go ff i v eb a s i cf o r m a t i o n s ， t h e ( a a ，缸，创，a r o , a m ) o r ( ，吃， 如) o ft h ec o r r e s p o n d i n gs t a b l ef o r m a t i o nc a n b eo b t a i n e du s i n gm e a no r b i t a le l e m e n ta n dn u m e r i c a lm e t h o d s o nt h eb a s i so ft h e s e ， t h r e es t a b l ef o r m a t i o nd e s i g n se x p r e s s e di no s c u l a t i n ge l e m e n t sa l eb r o u g h tf o r w a r da n d c a na c q u i r es t a b l er e l a t i v em o t i o ni no r b i t a lp l a n e ，b u tm a yn o ti nc r o s s - t r a c kd i r e c t i o n t h i r d l y ，a c c o r d i n gt ot h er e l a t i v em o t i o nm o d e lf o rc l o s e l ys p a c e dv e h i c l e s ，f i v e c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e l a t i v et r a j e c t o r yb e t w e e nt w os p a c e c r a f t so ne c c e n t r i co r b i ta r e s u m m a r i z e da n dn i n ea p p l i c a b l ec o n f i g u r a t i o n sa r cp r o p o s e df o ro n e t w o m u l t i p l e d e p u t ys p a c e c r a f f s 1 1 地c o n f i g u r a t i o n sw i t ho n l yo n ed e p u t yv e h i c l ec a nb eu s e da sa c o m p o n e n tu n i to fac o m b i n e dc o n f i g u r a t i o n , t h o s e 、而t ht w ov e h i c l e sc a nb ea p p l i e di n o n - o r b i to rg r o u n do b j e c t so b s e r v a t i o na n dm e a s u r e m e n t , a n dt h o s ew i t hm u l t i p l e v e h i c l e sc a nb es u i t e dt od e e ps p a c e e x p l o r a t i o na n ds p a c eo b j e c ts u r v e i l l a n c e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 f o u r t h l y ，t h es t a b i l i t i e so ft h es t r a i g h tl i n ec o n f i g u r a t i o ni ns p a c ei n f o r m a t i o n c o u n t e r w o r ka n dt h et e t r a h e d r o nf o r m a t i o ni ne a r t hm a g n e t o s p h e r em e a s u r e m e ma r e r e s o l v e dw i t ht h ea b o v es t a b l ef o r m a t i o ni n v e s t i g a t i o n f o rt h ef o r m e rm i s s i o n ，t h e p e r f o r m a n c eo ft h es t r a i g h tl i n ec o n f i g u r a t i o ni sp r o m o t e dr e m a r k a b l yi nt w od e s i g n s u s i n gm e a na n do s c u l a t i n go r b i t a le l e m e n t s f o rt h el a t t e rm i s s i o n , o n es t a b l ef o r m a t i o n d e s i g ne x p r e s s e di nm e a ne l e m e n t sm a k e sal i t t l ei m p a c to nt h el i n ef o r m a t i o na ta p o g e e ； a n dt h eo t h e rd e s i g ne x p r e s s e di no s c u l a t i n gd e m e n t sc a l ln o to n l yi n c r e a s et h ea v e r a g e p e r f o r m a n c eo ft h et c n 讪e c 的nc o n f i g u r a t i o n , b u ta l s oi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft h e r e l a t i v em o t i o nt os o m ee x t e n t f i n a l l y ，w h e nt w os p a c e e r a f i sh a v eas m a l ld i f f e r e n c ei na r e a - m a s sr a t i o ，t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e l a t i v ed y n a m i c su n d e rd r a ga n ds o l a rr a d i a t i o np r e s s u r ea r e a n a l y z e dn u m e r i c a l l ya n dt w os t a b l ef o r m a t i o nd e s i g n sa r ep r o p o s e du n d e rt h ei n f l u e n c e o fo n eo rt h r e ep e r m r b a t i v ef o r c e s n l ed i f f e r e n c ei ns e m i - m a j o ra x i so re c c e n t r i c i t yi s t h eo p t i m i z a t i o nv a r i a b l ei nt h ef i r s td e s i g na n dt h ec h i e fs p a c e c r a f t si n c l i n a t i o n , r a a n a r g u m e n to fp e r i g e ea n dm e a r la n o m a l ya r ea l lu s e di no p t i m i z a t i o nf o rt h e s e c o n dd e s i g n t h ef o r m e ri ss u i t a b l et ot h em i s s i o nw i t hg i v e nr e f e r e n c eo r b i t , b u tt h e l a t t e rc a n ts a t i s f yt h i sr e q u i r e m e n t c o m i d e f i n gt h r e ek i n d so f p e r t u r b a t i o n s ，t w os t a b l e d e s i g n sa r eb o t l la b l et ou t i l i z et h ee f f e c to fd r a ga n ds o l a rr a d i a t i o np r e s s u r et o m i n i m i z et h a to f j 2 k e yw o r d s ：e c c e n t r i co r b i t ；s p a c e c r a f tf o r m a t i o nf l y i n g ；r e l a t i v ed y n a m i c s ； c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ；j 2p e r t u r b a t i o n ；s p a c ei n f o r m a t i o nc o u n t e r w o r k ；m m sm i s s i o n 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 论文组织结构1 5 坐标系空间位置关系18 单位球面相对矢量投影1 9 一阶模型相对位置误差曲线2 6 一阶模型相对速度误差曲线2 6 二阶模型相对位置速度误差曲线3 0 一阶模型相对二阶模型误差曲线3 0 仅a e 0 时相对运动轨迹3 3 仅a i 0 时相对运动轨迹3 3 仅q 0 对相对运动轨迹3 5 仅a m 0 时相对运动轨迹3 6 仅a 厶0 时相对运动轨迹。3 6 图3 6 复杂相对运动轨迹3 8 图3 7 轨道面绕飞椭圆构形4 l 图3 8 水平面绕飞外椭圆构形4 2 图3 9 水平面绕飞外圆构形4 2 图3 1 0 水平面绕飞内椭圆构形4 3 图3 1 l 水平面绕飞内圆构形4 3 图3 1 2 轨道面过原点直线构形4 5 图3 1 3 水平面过原点直线构形4 5 图3 1 4 水平面沿航向直线构形4 6 图4 1受摄相对运动模型相对位置误差曲线5 3 图4 2 受摄相对运动模型相对速度误差曲线5 3 图4 3 仅a e o 时h 项作用下相对运动轨迹5 4 图4 4 仅a i 0 时j 2 项作用下相对运动轨迹5 5 图4 5 仅a f 2 0 时j 2 项作用下相对运动轨迹5 5 图4 6 仅a m 0 时j 2 项作用下相对运动轨迹5 6 图4 7 仅m 0 时j 2 项作用下相对运动轨迹5 6 图4 8 轨道面相对运动轨迹6 2 图4 9 施加稳定约束前后相对运动比较( 平根数设计方案一) 6 4 图4 1 0 施加编队约束前后相对运动比较( 平根数设计方案- - ) 6 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 1 lj 2 项作用下轨道倾角影响。6 7 图4 1 2j 2 项作用下升交点赤经影响。6 7 图4 1 3j 2 项作用下近地点纬度幅角影响。6 8 图4 1 4j 2 项作用下平近点角初值影响。6 8 图4 1 5j 2 项作用下优化前后相对运动比较( 瞬根数设计方案一) 。7 4 图4 1 6j 2 项作用下优化前后相对运动比较( 瞬根数设计方案- - ) 7 5 图4 1 7j 2 项作用下优化前后相对运动比较( 瞬根数设计方案三) 7 7 图5 1巳= 0 1 时相对位置速度误差曲线8 5 图5 2巳= 0 5 时相对位置速度误差曲线8 6 图5 3 仅q 0 时阻力作用下相对运动轨迹8 6 图5 4 阻力作用下轨道倾角影响8 8 图5 5 阻力作用下升交点赤经影响8 8 图5 6 阻力作用下近地点纬度幅角影响8 8 图5 7 阻力作用下平近点角初值影响8 8 图5 8 阻力作用下优化前后相对运动比较( 以p 为变量的设计方案一) 9 l 图5 9 阻力作用下优化前后相对运动比较( 以口为变量的设计方案一) 9 1 图5 1 0 阻力作用下优化前后相对运动比较( 设计方案- - ) 9 3 图5 1 ls r p 作用下轨道倾角影响9 5 图5 1 2s r p 作用下升交点赤经影响9 5 图5 1 3s r p 作用下近地点纬度幅角影响9 5 图5 1 4s r p 作用下平近点角初值影响9 5 图5 1 5s r p 作用下优化前后相对运动比较( 设计方案一) 9 7 图5 1 6s r p 作用下优化前后相对运动比较( 设计方案二) 9 9 图5 1 7 三种摄动作用下优化前后相对运动比较( 设计方案一) 1 0 1 图5 1 8 二种摄动作用下优化前后相对运动比较( 设计方案一) 1 0 3 图5 1 9 三种摄动作用下优化前后相对运动比较( 设计方案- - ) 1 0 4 图6 。l 航天器覆盖原理。1 0 7 图6 2 沿径向分量与地面站位置6 关系1 0 8 图6 3 二体情况下信息对抗编队构形变化l1 l 图6 4j 2 项作用下信息对抗编队构形变化1 1 3 图6 5j 2 项作用下信息对抗编队构形变化( 平根数设计方案) 1 1 5 图6 6j 2 项作用下信息对抗编队构形变化( 瞬根数设计方案) 1 1 7 图6 7m m s 任务构形示意1 1 8 图6 8m m s 任务轨道阶段示意1 1 8 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图6 9 科学轨道段119 图6 1 0 理想质量因子时间积分1 2 4 图6 11 理想平均边长时间积分1 2 4 图6 1 2 二体情况下性能指标随真近点角变化曲线1 2 6 图6 1 3 二体情况下性能指标随时间变化曲线1 2 6 图6 1 4j 2 项作用下轨道倾角对性能影响1 2 8 图6 1 5j 2 项作用下升交点赤经对性能影响1 2 8 图6 1 6j 2 项作用下近地点纬度幅角对性能影响1 2 8 图6 1 7j 2 项作用下真近点角对性能影响1 2 8 图6 1 8j 2 项作用下编队航天器轨道面相对运动轨迹1 2 9 图6 1 9j 2 项作用下性能指标随时间变化曲线( 平根数设计方案) 1 2 9 图6 2 0j 2 项作用下性能指标随时间变化曲线( 瞬根数设计方案) 1 3 2 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表2 1 主、从航天器轨道根数( 一阶模型精度分析) 。2 5 表3 1 主、从航天器轨道根数( 编队飞行构形设计) 4 7 表4 1主、从航天器瞬时轨道根数( 受摄相对运动特性) 5 4 表4 2 主、从航天器平均轨道根数( j 2 项作用下平根数设计方案) 。6 3 表4 3 主、从航天器瞬时轨道根数( j 2 项作用下瞬根数设计方案) 。7 3 表5 1 主、从航天器轨道根数( 近似模型精度分析) 8 5 表5 2 主、从航天器轨道根数( 阻力作用下稳定编队设计方案) 9 0 表5 3 主、从航天器瞬时轨道根数( s r p 作用下稳定编队设计方案) 9 8 表5 4 主、从航天器瞬时轨道根数( 多种摄动作用下稳定编队设计方案) 1 0 0 表6 1 任务航天器瞬时轨道根数( 二体情况下) 1 2 2 表6 2 任务航天器瞬时轨道根数( 平根数设计方案) 1 2 9 表6 3 任务航天器瞬时轨道根数( 瞬根数设计方案) 1 3 l 第v i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：撒厘垫童越丞墨编丛玉短殖盘堂丞廑屈盈巍 学位论文作者签名：童皇董日期：卵年，口月，占日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：盟圆轨道筮丞墨缔丛玉蕴塑左堂丞廑围珏窒 学位论文作者签名： 宣重蕉 日期：2 叩5 年d 月彤日 作者指导教师签名：墨垂篮 日期：文。“年，明知 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 自2 0 世纪8 0 年代中期以来，现代微电子技术、微机械技术和纳米技术等高 新技术迅速发展，并广泛应用于现代航天器研究，使其向“更快、更好，更省” 的方向发展，进而引起航天器应用模式和应用领域的重大变革( 1 捌。编队飞行作为 现代航天器发展的重要趋势，改变了传统航天器应用模式，通过航天器间信息耦 合，使运行于相邻轨道并呈现有规律空间分布特征的多个航天器在同一时刻对同 一地面或空间目标进行多点观测，因而在整体功能上相当于大型航天器，但在性 能上却远远超越了传统航天器。鉴于航天器编队飞行的强大技术优势和潜在应用 前景，本文重点对椭圆轨道航天器编队的相对动力学，构形设计、摄动分析及其 应用问题进行研究和探讨。 1 1 1 编队飞行概念 1 1 编队飞行发展概况 随着航天技术的迅猛发展，星座和编队飞行作为现代航天器的两大重要应用 模式逐渐得到认可。航天器编队飞行又称“虚拟航天器”或“分布式航天器”， 虽然与星座一样强调通过多航天器间协同工作完成空间任务，但在定义上有所不 同，主要强调【j , 4 1 ： ( 1 )空间结构：编队飞行由多个距离较近、物理上不相连的航天器构成稳 定拓扑结构，或在某瞬时形成特定空间结构，称之为编队构形； ( 2 ) 轨道运动：编队航天器在围绕某引力体中心作轨道运动的同时，又以 特定编队构形围绕某参考点飞行，该参考点可为虚拟点或由另一航天器替代； ( 3 )通信保障：编队航天器通过相互闻通信链路对星上信号进行传输、分 配与组合，实现航天器间信息共享，为协同完成任务奠定基础： ( 4 )协同机制：编队航天器控制过程应同时考虑各航天器运动状态进行统 一规划，从而维持相对位置关系，保持编队构形； ( 5 ) 功能描述：编队航天器共同承担信号处理、信息交互、有效载荷等， 组成一个大型的分布式航天器系统共同完成编队任务。 依据编队飞行概念对其进行分类：按照参考点轨道偏心率分为圆轨道和椭圆 轨道编队；按照航天器间相对距离分为近距离和远距离编队f 5 1 ；按照引力体不同分 为地心编队、日心编队和拉格朗日点编队【6 ，”。具体编队类型由编队执行的空间任 务决定，且不同类型编队所用编队构形不同。例如，圆轨道航天器编队易于形成 平面且规则的稳定构形，一直是近地空间编队飞行应用研究的重点；椭圆轨道航 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 天器编队难于实现规则构形，往往采用远地点附近形成的特定空间结构，己引起 空间物理及深空探测专家的关注。 1 1 2 编队飞行优势 与传统单航天器系统相比，航天器编队飞行在空间结构、轨道运动、通信保 障、协同机制和功能描述上独具特色，这也为其带来显著性能优势睁1 0 l ： ( 1 ) 自主性提高：编队飞行一般采用自主测控运行的观测系统，无需或较 少需要地面支持，简化了地面操作控制； ( 2 ) 载荷性能提高：结构上不相连的航天器形成较长基线，突破了传统航 天器结构和尺寸局限，提高了应用系统性能；或多个航天器分布于较大空间，在 同一时刻收集同一目标的多维信息，完成单航天器无法胜任的立体观测任务； ( 3 )数据处理能力提高：同一信号的不同部分信息可分散到不同编队航天 器，实现数据并行处理，缩短数据处理周期； ( 4 )系统可靠性提高：当某个编队航天器功能失效时，资源离散提高了系 统生存能力，资源冗余降低了系统故障概率； ( 5 )系统适应性提高：航天器编队构形的重新调整可适应新任务需求，高 性能载荷的置换可完成系统性能升级； ( 6 ) 生命周期成本降低：编队航天器体积小、功能简单，研发和生产周期 短，模块化程度高，可批量生产，使其全生命周期成本得到极大降低。 椭圆轨道航天器编队飞行既具有上述编队飞行的一般特点，又拥有其它类型 轨道编队飞行无法比拟的优越性 1 l a 2 】： ( 1 ) 椭圆轨道远地点较高，可延伸至2 0 3 0 足( r 表示地球平均半径) ， 到达空间物理研究关注的地球磁层边界区域： ( 2 ) 编队航天器在椭圆轨道远地点附近运行速度较低，能够较长时间穿越 特定空问，收集更多相关信息； ( 3 )编队航天器多采用立体构形，实现多点同步测量，获得三维结构、动 力学过程以及物理场梯度信息，可有效提高编队任务数据集成度： ( 4 )某些情况下椭圆轨道合成孔径的u - v 平面覆盖性能较高。 1 1 3 编队飞行应用模式 航天器编队飞行的显著优势使其应用领域和应用模式得到进一步拓展和丰 富。目前，编队飞行技术的应用模式主要体现在以下五个方面【1 3 - 1 5 1 ： ( 1 )合成孔径雷达：由于编队航天器在物理上不连接，彼此间可形成较长 基线，不再视为单一孔径，对要求通过大孔径获得较高地面覆盖率的星载雷达任 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 务具有很高应用价值； ( 2 )三维气象观测：空间构形理想的编队飞行可对当地大气活动进行高分 辨率、宽覆盖面积、动态实时的观测及立体成像，而单航天器无法实现； ( 3 ) 高分辨率合成孔径光学干涉：编队航天器均装载小孔径望远镜，借助 稳定几何构形利用干涉原理组成虚拟的大合成孔径光学成像遥感器，用于高分辨 率对地侦察成像以及地球外行星与星系探测； ( 4 )间歇式无源导航：根据连续无源导航的四星定位导航原理，构成正方 形间歇式导航系统的四个编队航天器过顶时可同时向用户发送导航信息。虽然系 统导航精度略低，但组成简单且成本低，使其在军用和民用上均有广阔应用前景； ( 5 ) 电子侦察：航天器上无线电探测设备实时接收目标电磁波信息后，马 上进行数据处理或将其转发至地面站，根据多星定位体制及时差定位原理，确定 辐射目标地理位置以及运动目标速度大小与方向。 由以上分析可知，椭圆轨道航天器编队飞行的应用模式主要为空间物理场的 多点测量。地球磁层和太阳风间相互作用直接影响到磁层边界结构与动力学过程， 进而引起空间环境的剧烈变化。磁层边界距离地球表面几倍甚至几十倍地球半径， 且随时间和空间不断发生改变，只有远地点延伸至该区域的椭圆轨道及组成立体 编队构形且装载测量设备的多个航天器才能满足其多点同时测量要求，直接获取 高时间和空问分辨率的电磁场、等离子和高能粒子数据，迸一步处理测量结果还 可得到电磁场的空间梯度信息等【1 6 1 。 1 1 3 编队飞行研究计划 目前，航天器编队飞行技术已成为国内外学者的研究热点。国际上纷纷将其 列入2 1 世纪重点研发的航天技术之一，美、英、法、德、日等国先后启动多项编 队飞行研究计划，积极推动编队技术的发展。国内也已设立相关项目，积极开展 编队飞行技术研究。 1 1 3 1 国外圆轨道编队飞行研究计划 圆轨道航天器编队飞行一直是国外编队应用研究的重点，其中有代表性的编 队研究计划如下： ( 1 )n a s ae o 1 与l a n d s a t7 编队试验计划【1 7 1 2 0 0 0 年，e a r t ho b s e r v i n g 1 ( e o 1 ) 发射成功并与l a n d s a t7 实现编队，这标 志着航天器自主编队飞行技术得到验证。e o 1 和l a n d s a t7 运行于升交点赤经略 有差别的近圆轨道，e 0 1 落后l a n d s a t7 约1 分钟( 4 5 0 公里) ，形成沿航向编队 构形，以保证两航天器星下点轨迹相同。e o 1 和l a n d s a t7 先后对地面同一区域 进行两次成像，通过图像对比验证e o - 1 先进的地面观测设备。 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 ( 2 )n a s ad s 3 编队演示验证计划【1 8 , 1 9 】 d e e ps p a c e 3 ( d s - 3 ) 计划的主要目标是探测银河系星体，同时验证分布式干 涉仪和自主编队飞行技术的可行性。早期设计为三个航天器组成的间距为o 1 至1 公里的等边三角形编队，进而形成大孔径虚拟空间干涉仪，分辨率可达千分之一 甚至万分之一角秒。d s 3 采用自主相对导航技术，相对位置测量精度达到l 厘米， 姿态测量精度达到l 角分，以确保分布式干涉仪需要的高精度编队飞行。验证试 验预计于2 0 0 6 年进行。 ( 3 )a f r lt e c h s a t2 1 绕飞试验计划 2 0 2 1 】 t e c h s a t2 1 是由美国空军研究实验室( a i rf o r c er e s e a r c hl a b o r a t o r y ，a f r l ) 于1 9 9 8 年提出的八航天器圆形编队计划。目前，在研的三航天器圆形编队计划是 为t e c h s a t2 1 进行前期编队及合成孔径雷达技术验证，预计2 0 0 6 年发射。编队航 天器形成的虚拟空间系统可提供地面目标的高分辨率全天时全天候侦察信息，识 别地面移动目标，扩大成像区域覆盖面积，实现合成孔径雷达与干涉成像。 1 1 3 2 国外椭圆轨道编队飞行研究计划 椭圆轨道航天器编队飞行主要应用于空间物理测量、深空探测及合作目标在 轨服务等【2 2 ，2 3 l ，典型编队飞行研究计划如下： ( 1 )e s ac l u s t e ri i 四面体编队计划【2 4 ，2 5 1 c l u s t e ri i 是目前飞行和操作最成功的四面体编队飞行计划。其任务是通过编 队航天器访问地球磁层顶部和尾部等关键区域，揭示太阳风与磁层相互作用的物 理本质。c l u s t e ri i 并非持久编队，其航天器间距在十至几千公里间变化，需每年 调整两次，但轨道周期保持不变。2 0 0 0 年，编队航天器采用一箭双星方式发射， 进入预定大椭圆极轨道。通过对地球磁层的四点同时测量，c l u s t e ri i 现可提供磁 尾及向阳面高纬度磁顶区域的磁重联过程直接观测结果，证实了磁顶存在大规模 边界波和旋涡，发现了亚暴来临前弓激波极薄等现象。 ( 2 )n a s am m s 四面体编队计划t 2 s ，2 7 1 m a g n e t o s p h e r i cm u l t i s c a l e ( m m s ) 计划用以研究地球磁层狭窄边界区域存在 的小尺度和中尺度磁重联、带电粒子加速以及湍流过程，上述过程直接影响地球 磁层的三维结构和动力学特性。该计划的参考轨道面与黄道面夹角约为5 0 ，初始 拱线平行于日地方向。为获取准确科学数据，测量任务由四或五个航天器组成的 四面体或六面体编队完成，且航天器间距在四个轨道阶段随观测对象尺度不断调 整。该计划目前正在实施，预计2 0 0 9 年发射，持续2 年时间。 ( 3 ) n a s aa u r o r a ll i t e s 四面体编队计划【2 3 l a u r o r a ll i r e s 计划的主要目标是通过测量地球极光现象揭示等离子层大规模 动力学过程的物理本质，同时验证航天器编队飞行相关技术。编队航天器运行于 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 大椭圆近极轨道，形成四面体构形。编队任务周期1 年，分为三个阶段：阶段l 持续4 个月，四面体边长为1 0 公里；阶段2 持续4 个月，边长降至5 0 0 米；阶段 3 边长又升至1 0 0 公里。但该任务最终没能纳入1 9 9 8 年的n a s a 中间层探索计划。 ( 4 )n a s aa m o r a lm u i t i s c a l em i d c x 计划删1 a u r o r a lm u l t i s c a l em i d e x ( a m m ) 计划由应用物理实验室设计，用以研究地球 电离层与磁层间的电连接，以及这种连接如何影响南北极极光现象的发生、结构 分布和快速变化。四个编队航天器运行于同一轨道面内，问距为l 至1 0 0 0 公里。 能在多个位置同时测量电磁场，波、离子和电子的相关参数，研究太阳风引起的 沿磁力线方向的动态流和静态流，并对u v 极光进