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中国空间站在轨视觉检查的立方星相对轨道设计研究
一、作者及发表信息
本研究由Zhuojun Hou、Bohan Jiao和Zhaohui Dang（通讯作者）共同完成，作者单位包括Northwestern Polytechnical University（西北工业大学）和National Key Laboratory of Aerospace Flight Dynamics（飞行器动力学国家重点实验室）。研究发表于期刊Advances in Space Research第73卷（2024年），题目为《Relative orbit design of CubeSats for on-orbit visual inspection of China Space Station》。
二、学术背景
研究领域：航天器在轨服务与维护（On-Orbit Servicing, OOS），具体聚焦于立方星（CubeSat）在近距离对大型空间目标（如中国空间站，CSS）进行视觉检查的轨道设计问题。
研究动机：国际空间站（ISS）曾因空间碎片撞击导致设备损坏，凸显了在轨健康监测的重要性。传统方法（如宇航员舱外活动、机械臂操作）存在成本高、覆盖范围有限等问题，而立方星因其低成本、灵活性成为潜在解决方案。
科学目标：提出一种考虑视场约束（Field-of-View, FOV）和遮挡效应（Occlusion Effect）的相对轨道设计方法，为立方星在轨检查任务提供理论模型与算法支持。
三、研究流程与方法
相对轨道参数化建模
- 基础模型：基于Clohessy-Wiltshire（CW）方程建立周期性相对轨道（Periodic Relative Orbits, PROs）的解析解，将轨道设计问题转化为两个参数（相关系数k和轨道振幅a）的优化问题。
- 创新点：提出“三维椭球族”轨道模型，通过k和a控制轨道形状与尺寸，相比传统方法几何意义更明确，参数更少（仅需k和a即可定义完整轨道）。
视场约束建模与可行解分析
- 约束条件：包括安全距离（dsafe）、最大观测距离（dobserve）、相机视角（θmax）及视线遮挡。
- 数学简化：将FOV约束转化为关于k和a的不等式组，通过分类讨论（如k的取值范围与轨道偏心率的关系）划分可行解区域。
- 蒙特卡洛验证：随机生成特征点位置，计算可观测轨道比例，发现靠近空间站中心的特征点可观测性更高。
遮挡效应评估算法
- 几何建模：将空间站简化为圆柱体、平面和太阳能板等基本几何体，建立参数化方程。
- 遮挡判定：通过求解视线（Line-of-Sight, LOS）与几何体的交点参数u，若u∈[0,1]且交点位于几何体边界内，则判定为遮挡。
- 算法实现：开发了基于几何分解的遮挡评估算法（Algorithm 1），逐点检测轨道上的遮挡情况。
轨道设计算法与仿真验证
- 多约束优化：结合FOV约束和遮挡评估，从可行解集中筛选最优轨道（Algorithm 2）。
- 案例仿真：以中国空间站为观测目标，选取不同位置的特征点（如s01=(0,5,1)m）进行测试，生成满足条件的飞绕轨道（如k=1.5, a=25m），并可视化遮挡区域（图17-18）。
四、主要结果
- 参数化模型的优势：通过k和a的关联性，快速生成多样化的椭圆轨道（图4），例如k=√3时轨道偏心率为0，k>3时偏心率趋近于1。
- 可行解分布规律：特征点越靠近空间站边缘，可观测轨道的k和a范围越小（图6）；x轴方向的观测敏感性高于y/z轴（图9）。
- 遮挡影响：即使满足FOV约束，部分轨道仍存在短弧段遮挡（如太阳能板遮挡），但算法可精确预测遮挡位置（图17）。
五、结论与价值
- 科学价值：
- 提出了首个结合FOV约束与遮挡效应的立方星轨道设计框架，填补了自然飞绕轨道（Natural Fly-Around Orbits）在观测任务中的应用空白。
- 开发的参数化模型为后续多目标优化（如光照条件、扰动补偿）奠定了基础。
- 工程应用：可直接用于中国空间站的自主巡检任务，降低对宇航员和机械臂的依赖，提升在轨维护效率。
六、研究亮点
- 方法论创新：
- 将复杂轨道设计简化为两参数优化问题，显著降低计算复杂度。
- 遮挡算法通过几何分解实现高效计算，适用于非规则结构（如空间站桁架）。
- 任务导向性：针对CSS的实际需求设计案例，参数（如轨道高度380km）与实际任务一致，结果可直接指导工程实践。
七、其他价值
研究提出的算法框架可扩展至其他在轨服务场景，如非合作目标（如失效卫星）的近距离观测，为未来太空态势感知（Space Domain Awareness）提供技术支持。
以上报告完整涵盖了研究的背景、方法、结果与意义，重点突出了参数化建模和遮挡算法的创新性，同时通过具体数据与图表（如k-a可行解分布、遮挡检测流程）强化了论证逻辑