一种基于红外图像的空间目标探测方法

针对空间环境中的监视高速运动小目标的需求,提出一种基于红外图像的空间目标探测方法,实现对空间非合作目标的检测、跟踪与识别。根据目标红外特性,目标检测过程采用阈值分割算法分割目标,通过重心法提取目标质心,采用星图匹配方法剔除恒星背景;目标跟踪识别过程采用轨迹关联算法进行多目标编批及轨迹跟踪,采用基于目标运动速度信息和方向矢量信息的目标分类算法最终识别目标。实验结果表明,应用该方法能够在1 s内实现空间目标探测,满足空间环境监视对目标探测的实时性好、检测概率高、虚警概率低等要求。

高超声速飞行器多物理场虚拟飞行建模方法研究

为了解决高超声速飞行器飞行试验成本高昂、风险较大、飞行性能评估困难等问题,提出多物理场虚拟飞行方法,通过建立高拟真度多物理场仿真模型替代飞行试验,实现快速、准确的飞行性能分析。本文考虑气动、结构、控制和弹道学科间的耦合效应,采用松耦合方法建立高超声速飞行器流固耦合模型并开展虚拟飞行仿真研究。采用活塞理论计算非定常气动力载荷、模态叠加法计算结构动响应;将时变的气动力载荷和结构振动变形整合到六自由度飞行动力学模型中,构建多物理场虚拟飞行仿真流程;以某三维高超声速飞行器为对象开展虚拟飞行仿真研究,分析结构动变形、非定常气动力动响应对其飞行弹道和控制系统的影响规律。研究结果表明,本文构建的虚拟飞行模型能够快速、准确地获得飞行过程中的动态特性、受控特性与载荷特性,可为高超声速飞行器的总体设计提供高效、低成本的飞行性能验证途径。

空间目标天基光学定位方法综述

近年来空间目标定位领域不断结合网络协同、多模融合等探测技术,发展迅速。其中,基于天基光学探测的定位方法以隐蔽性好、测量精度高的独特优势在民用和国防领域应用广泛。为了分析不同情景下适用于不同类型目标的定位方法,针对基于天基光学探测的空间小目标定位进行综述。首先介绍天基光学探测技术的发展、空间目标的分类和特点以及空间目标定位的概念。然后着重分析适用于空间“小、弱”目标的单星和多星定位方法,并对近年提出的异质传感器联合定位展开说明。最后,依据成像过程建立空间目标定位误差分析模型,分析定位精度的影响因素占比并根据现存问题做出总结和展望。

弹性飞行器飞行动力学建模与刚柔耦合阶次分析

基于虚功率原理与混合坐标法,建立了弹性飞行器的飞行动力学模型。发现了附加在弹性结构上的部件会对飞行器姿轨运动与结构振动产生影响,从而给出了耦合系数与模态质量的修正项。定义了描述弹性变形项保留程度的刚柔耦合阶次,并以由弹性本体和刚体舵面组成的刚柔耦合多体系统为例,通过对比不同刚柔耦合阶次下动力学模型的时域响应与保守系统的动量计算结果,分析了动力学模型及动量公式中弹性变形项的保留阶次对动力学响应及动量计算精度的影响。揭示了传统模型忽略弹性变形高阶项可能导致的误差水平,为弹性飞行器动力学模型的简化与验证提供了参考。

基于稀疏同波束测量的天问一号火星着陆点定位方法

在广义相对论参考框架下,利用天问一号巡视器在着陆火星后与环绕器进行同波束测量,建立了适用于火星着陆点定位计算的测量模型,并根据两目标相对运动关系设计了基于火星时空参考框架的统计定位方法。通过蒙特卡洛仿真打靶,分析了多种误差和测量弧段对着陆点定位精度的影响,其中广义相对论的引力延迟会产生亚米级模型误差,对火星着陆点定位产生约百米级的影响。针对实际火星车测量单一且稀疏的特点,将环绕器定轨与火星车的定位从并行计算调整为串行计算,引入火星数字高程模型约束着陆点定位的高度,提升环绕器轨道精度并压缩计算弧段,最终将火星车着陆点精度从千米量级提升至约300 m。

动量轮卸载对“天问一号”环火轨道影响分析

针对“天问一号”动量轮频繁喷气卸载对环火轨道的扰动问题,定性分析了动量轮卸载的摄动量级以及对环火段轨道的影响,在RTN(Radial Transverse Normal)坐标系下建立匀加速模型描述动量轮卸载产生的加速度,对环火中继段和遥感使命段分别采用2种策略计算分析,评估了不同飞行阶段的定轨预报精度。结果表明:频繁的动量轮卸载是影响环火段定轨精度的主要误差因素,目前条件下中继段定轨的位置精度为约150 m,在卸载更为频繁的遥感使命段,位置精度下降至约700 m。

双机械臂布局下的电推进位保策略

对于地球同步轨道的电推进卫星,可采用双机械臂式电推布局进行轨道维持控制.本文研究了双机械臂式电推布局的自主位保控制策略,针对南北各一台机械臂,每台机械臂分别配置一台电推力器的布局方式,通过每天1~2次点火,以尽量少的点火指向变动实现东西/南北联合位保控制.在双侧机械臂、电推力器正常情况下研究具有解析形式的在轨位保算法.研究基于单侧矢量调节机构和该侧电推力器的故障位保策略,给出衡量不同矢量机构能力和推力比冲下的位保效率衡量方法.仿真结果表明,正常/故障情况下的位保控制精度均能够满足同步轨道位保控制要求.本算法为解析形式,计算量较小,可以实现多星共轨和定点捕获/轨位漂移,便于量上自主实施.

利用遗传算法实现低倾角卫星星座优化设计

针对热点区域的多重覆盖问题,采用回归圆轨道的共星下点轨迹星座方案,提出基于遗传算法求解单颗卫星轨道参数、利用简单解析公式求解星座轨道参数的方法。首先,建立了回归轨道热点区域多重覆盖模型;其次,以卫星一个回归周期内覆盖时间最长为性能指标,首颗卫星轨道根数利用遗传算法可优化求取;最后,根据星下点轨迹重合这一约束条件设计星座构型,并利用各卫星间几何关系求解各卫星的轨道根数。理论分析和仿真结果表明,该方法简单且易于实现,设计结果正确,可实现回归周期内同一卫星星下点轨迹多次覆盖目标,星座使用卫星少、覆盖频率高,具有较好的工程应用价值。

太阳同步轨道遥感卫星快速目标访问计算方法

目标访问计算是指根据遥感卫星轨道和待观测目标的位置,计算遥感卫星对目标观测的时刻和姿态,是遥感卫星任务管控领域的重要基础技术之一。高效的目标访问计算方法可大幅提升卫星任务管控的时效性,对后续大规模遥感星座任务管控具有重要意义。利用太阳同步轨道卫星交点地方时不变的特点,快速估算出卫星经过目标的较短时间窗口,对时间窗口内的星历进行逐点计算,获取卫星对目标进行访问的最佳时刻。试验结果证明,该方法可大幅提升目标访问时间的计算效率。

一种基于伪谱法的助推-补能跳跃滑翔轨迹优化方法

针对大气层边缘补能-跳跃滑翔运动,建立了一种助推-补能跳跃滑翔全程空间运动模型以及补能滑翔段无量纲运动方程。提出了一种基于Gauss伪谱法的动态分段串行优化策略,可对助推段俯仰程序角、补能-跳跃滑翔段飞行攻角、倾侧角以及补能时刻等轨迹控制变量进行求解,实现含连续/离散控制变量的轨迹优化一体化设计。分别对助推-补能跳跃滑翔和助推-拟平衡滑翔轨迹优化开展仿真,验证了针对补能-跳跃滑翔轨迹的分段串行优化策略的有效性,同时分析了相同助推规模和飞行器质量条件下,补能跳跃轨迹相较拟平衡滑翔轨迹在增大飞行时间、航程和机动过载能力上更具优势。

相对论体系下卫星原时及星间钟差机理建模

面向新一代导航卫星对高精度自主时间基准的需求,针对皮秒级星间钟差机理不清晰问题,在广义相对论体系下提出一种卫星原时以及星间皮秒钟差模型,该模型可基于卫星状态计算星载原子钟相对参考时钟的偏差以及星间钟差。首先从地心参考坐标系的度规张量出发,利用广义相对论建立了卫星的运动模型;然后,根据时空间隔的不变性,提出考虑地球非球形J2摄动项的卫星原时模型,并进一步给出了包含J2项修正的星间钟差模型。最后以北斗卫星导航系统和GPS为研究对象对建立的模型进行了仿真分析,为新一代导航系统的时间校准和同步提供了一种可行的建模方法。仿真结果表明,卫星原时模型与星间钟差模型的精度都在皮秒量级,能够准确地计算星载原子钟在引力场中的原时偏差以及星间钟差。

航天器隐蔽机动:概念、原理与方法

以维护航天器本体信息与状态信息安全为牵引,提出了航天器隐蔽机动的概念,阐述了相应的原理与方法。围绕单航天器隐蔽机动、航天器反监视博弈以及多航天器协同隐蔽机动等方向,探讨了基于数值方法、避障方法、运动伪装方法、博弈论以及编队轨迹规划方法等的求解框架及其在航天器隐蔽机动问题中的应用,为航天器隐蔽机动的轨迹规划与控制方法发展奠定了初步基础,为航天任务的隐蔽提供了一种新的解决思路。

采用基础激励下力反作用的大挠性结构动力学建模研究

以中心刚体和挠性梁为例,针对缺乏占质量和惯量强势成分中心刚体的刚柔耦合系统进行动力学建模研究.建立了基于基础激励输入和力反作用输出的离散动力学模型,以仿真计算对本文提出的模型进行验证,仿真结果表明,建立的模型解释了动力学刚化现象产生的原因并计算出不同转速下的系统频率,能够准确地解释刚柔耦合系统的动力刚化现象.同时考虑了中心刚体的运动,发现刚体质量和惯量对系统机动后姿态角振动频率有影响.

火星上升器入轨段自适应迭代制导方案设计

针对火星上升器入轨段的制导问题,设计了一种自适应迭代制导策略。为降低初始状态偏差和火星环境不确定性的影响,每个周期内在制导坐标系下迭代计算剩余飞行时间,求解出在上升器推力大小固定情况下满足目标点位置与速度矢量约束的最优控制角,进而实时修正飞行轨迹。仿真结果表明,相较于传统的开环制导方案,提出的方案显著地提升了制导精度,其中高度误差降低3个量级,最大速度误差降低至原开环制导的三分之一,入轨点轨道倾角和偏心率误差均满足基本工程需求,可作为未来火星上升器入轨段制导的一种可靠方案。

弱全局信息下巨星座多路并发熵均衡路由策略

为保障地面系统对巨星座信息的高效获取,考虑实际卫星感知能力的约束,提出一种弱全局信息下巨星座多路并发熵均衡路由策略。首先,根据星座运行模式构建簇群,同时考虑簇的感知能力,建立弱全局信息下的“星-星/星-地”数据传输模型。其次,综合考虑网络结构、数据流量分布和信息多点频发等因素,对现有算法进行改进,引入熵作为评估节点负载分布均匀度的量化指标,引入惩罚因子对路径成本进行动态调整,并通过滚动窗口法规划巨星座多路并发情况下的对地传输路径。最后,以Starlink一期部署的卫星为例,进行数值仿真,验证所提方法的有效性。

基于数值延拓的日月综合借力DRO入轨策略

远距离逆行轨道(DRO)是地月空间中的一类周期轨道,这类轨道具有长期稳定、入轨能量低的特点,可作为未来载人月球和载人火星任务的中转站。对于地球至DRO的两脉冲入轨任务,采用日月综合借力(即同时使用弱稳定边界(WSB)和月球借力(LGA))可以最大化入轨质量,但是这类轨道对初值非常敏感。使用日月综合借力拓展DRO入轨脉冲包络,改进构造方法和提供解析梯度大幅提高多步打靶收敛率,提出2层伪弧长延拓方法进一步降低任务总脉冲。数值仿真采用共振比为2∶1的DRO,脉冲最低解采用“LGA+WSB+2LGA”的飞行模式,飞行时间为123天,近地轨道发射脉冲为3.125 km/s,DRO入轨脉冲仅为19.7 m/s。

地表异常即时探测星座设计思考

地表异常具有分布广泛、频率高、演化速度快、影响范围大等特点,现有的天基遥感系统存在着协同弱、响应慢、链路长等问题,无法满足异常即时探测的应用需求.通过对地表异常分类及特点的分析,总结了地表异常天基遥感需求,结合现有天基遥感能力与特点,提出了天基地表异常即时遥感卫星的能力目标表.总结了大规模地表异常即时探测星座的设计思路,分析了地表异常即时探测星座的组成方式、工作模式和应用场景,星座可以实现对地表异常的即时发现、即时识别和即时传输,并根据即时探测需求进行了仿真分析.仿真结果表明,星座具备数据获取到数据服务优于15min的能力,为未来天基地表异常即时探测星座的建立提供了参考.

一种基于MISOCP的复杂绕飞区轨迹优化方法

针对复杂绕飞问题,为提升优化方法的全局寻优能力,提出一种基于混合整数二阶锥规划(MISOCP)的迭代求解算法。首先,定量分析了传统序列凸化方法处理绕飞区(NFZ)约束产生的误差;随后,为消除误差,利用整数变量结合自变量变换将绕飞区约束转化为混合整数线性约束;最后,将原问题转化为MISOCP问题,并设计了迭代算法进行求解。仿真表明,本方法全局寻优能力强,且求解时间仅为GPOPS的20%。对随机生成的复杂绕飞场景,本方法鲁棒性较好,且平均求解时间在10 s量级。

基于序列凸优化的带动力飞行器再入轨迹优化

对序列凸优化方法在带动力飞行器再入轨迹优化中的应用进行了研究。首先,针对原始优化问题中控制量高度耦合且非线性的问题,通过引入新的控制量并建立与原始控制量的映射关系,得到关于控制量为线性的状态方程。其次,对原始优化问题中的非线性动力学方程、性能指标、过程约束与控制量约束进行松弛和线性化处理,通过附加状态变量的信赖域约束,并在性能指标中加入速度方位角的积分项以保证松弛和线性化的合理性。进一步,通过离散技术,将原始问题转化为一个凸优化问题。最后,通过数值仿真进行了算法验证。结果表明,本文算法对于带动力再入轨迹优化问题具有较高的求解精度,序列凸优化求解结果满足原始非线性约束,在一定精度范围内优化解可以作为原始问题的可行解。

高速公路路基场景的动态建模

高速公路路基场景施工组织复杂,传统的路基三维建模需借助建模软件,无法实现动态建模。在路基场景实际融合的过程中可能出现地形场景覆盖填方路基表面,挖方路基浮于地形表面的情况。基于对上述问题的研究,论文提出了高速公路路基场景动态建模的方法,提出利用形式表达式的方式表示路基参数化模型,实现高速公路路基施工过程实例化。利用基于Shader的多边形裁剪算法实现了路基与涵洞的重合部分的裁剪,利用带约束的Delaunay算法进行三角化解决路基与地形、涵洞与地形的融合问题。实验结果表明,根据论文实现的高速公路建模方法更为直观地展示了路基施工过程,同时增加了路基场景的真实感。