平动点卫星联合自主导航与星座构型优化研究

Expanding human space activities and increasing demand for spacecraft autonomy have put forward more imperative requirements for autonomous navigation technology. As a class of orbital resources with unique dynamic properties in space, libration point orbits serve as new solutions to the construction of spatial absolute reference datum and to providing autonomous navigation for Earth satellites and deep space spacecraft. This project intends to study some key problems on libration point autonomous navigation and libration point satellite constellation design, especially on observability analysis, autonomous navigation and station-keeping coupling algorithm design, and multi-objective, multi-constrained constellation configuration optimization, under a complete solar system dynamic model. The main targets of this project are revealing the intrinsic link between navigation observability and orbital parameters, developing an autonomous navigation algorithm that satisfies the station-keeping constraints, and completing constellation configuration optimization under the precise model. Finally, the overall performances of candidate constellations for typical mission scenarios are verified by Monte-Carlo simulations. The main results of this project can serve as valuable references for autonomous navigation of Chang'E-4 lunar farside soft-landing mission and improving the long-term autonomy of the Beidou satellite constellation.

人类航天活动的不断拓展以及航天器自主运行能力要求的不断提高，对自主导航技术提出了更为迫切的发展需求。平动点轨道作为空间中一类具有非常独特动力学性质的轨道资源，为构建空间绝对参考基准，解决近地及深空探测航天器自主导航问题提供了新的发展思路。本项目拟在太阳系精确动力学模型下，针对平动点卫星联合自主导航与星座构型优化所涉及的可观测性定量评价、自主导航与构型保持耦合算法设计、多目标多约束星座构型优化等关键问题开展理论研究与方法攻关，深入挖掘联合自主导航可观测度与平动点轨道特征参数之间的内在联系，建立满足平动点卫星轨道保持约束的联合自主导航算法，完成精确力模型下的星座构型综合优化。最终通过Monte-Carlo仿真，验证候选星座在典型任务场景下的综合服务性能。本项目的研究成果可为嫦娥四号月球背面软着陆探测任务自主导航以及北斗卫星星座长期自主运行能力增强提供有价值的参考。

平动点轨道作为空间中一类具有非常独特动力学性质的轨道资源，为构建空间绝对参考基准，解决近地及深空探测航天器自主导航问题提供了新的发展思路。本项目针对平动点卫星联合自主导航与星座构型优化研究，主要开展了以下工作：（1）研究了基于精确模型的平动点卫星联合自主导航可观测性定量评价机制；（2）设计了平动点联合自主导航与轨道保持耦合算法，实现了平动点联合自主导航性能分析及轨道保持控制策略；（3）建立了一种多目标多约束平动点自主导航星座构型优化方法，设计了不同星座构型。项目按照原计划顺利进行，取得以下主要研究进展：（1）基于精确模型，通过求解B矩阵，基于B矩阵是否秩亏给出了平动点联合自主导航系统的可观测性分析。（2）结合流形理论，提出了一种总体速度增量的轨道保持控制策略。（3）考虑平动点导航星座对月球极地区域探测的通信支持、对月球的覆盖特性以及导航系统的自主定轨精度，优化了导航星座构型。给出了最简构型及冗余构型。.通过这些研究，揭示了平动点卫星导航系统的可观测性机理，设计了满足深空探测任务需求的导航星座构型，对地月、地火空间导航性能进行了仿真验证，为后续平动点联合卫星导航系统的建设提供参考和理论依据。本项目实施期间工发表SCI论文5篇，中文核心期刊论文3篇，授权发明专利1项；参加学术会议2次。