多约束月面盘旋飞跃轨迹优化控制方法

针对无平移发动机月球探测器的多约束盘旋飞跃问题,给出了燃耗最优轨迹。盘旋飞跃划分为垂直上升段、平移段、垂直下降段,垂直上升段与垂直下降段的最优控制均为Bang-Bang形式。研究平移段最优轨迹时,考虑位置、速度、角速度等约束,首次把优化问题的控制变量由推力转化为角速度,然后基于Pontryagin极小值原理得到了最优角速度的初步形式,接着通过对奇异点连续性、控制变量切换次数的研究,得到最优角速度的最终形式由最大边值与最小边值组成且发生两次切换,最后提供了一种求解切换点的数值方法。仿真结果表明,该算法精度高、复杂度低,适用于在线轨迹优化。

面向全球部署的地球同步轨道卫星全实时测控方案研究

全球部署地球同步轨道卫星时面临的全实时测控问题,设计综合利用星地链路和星间链路的测控方案.该方案将测控任务划分为视线内和视线外两个阶段,视线内以星地链路为主,星间链路为辅,完成测控/数传信息的实时传输;视线外通过构建数据数传接力星形成体系内星间链路,结合北斗导航星座星间链路/中继卫星星间链路构成体系外星间链路,实现测控/数传信息的实时传输.分析测控/数传链路在任务周期内的链路余量、传输时延等指标,评估了方案的可靠性.结果表明,该文设计的方案测控任务的可靠度在0.99以上,数传任务的可靠度可达0.9,能够有效支持地球同步带卫星全球部署,满足测控任务需求.

空间引力波探测无拖曳技术现状与趋势

航天器无拖曳控制是实现引力波空间探测科学平台超静超稳运行的核心关键技术之一。目前,国内外各研究机构对航天器系统的动力学与控制进行了深入研究,并针对不同的探测频段需求提出了不同的探测任务。根据探测任务进行了航天器编队设计与控制的详细介绍和分析,对涉及的无拖曳与姿态控制、高精度惯性传感器与执行机构等原理和理论方法进行了深入的剖析。针对现已开展的空间引力波探测无拖曳航天器在轨飞行的演示验证整体情况进行详述和分析。在此基础上,提出后续开展相关研究中亟待解决的关键问题,指出未来无拖曳航天器系统动力学与控制的研究热点和趋势。

卫星对空中动态目标凝视成像姿态规划方法

针对低轨卫星面阵相机对空中动态目标凝视成像需求,提出卫星平台根据像面脱靶量进行目标位置估计和凝视姿态规划方法.基于空中动态目标飞行高度的先验知识,以目标地理经纬度和经纬度变化率为状态量,以目标中心像素值为观测量,设计扩展卡尔曼滤波器,实现目标地理经纬度的精确估计和预报.在此基础上,规划卫星姿态和角速度,避免了目标像素噪声和延时对姿态稳定度的影响,并实现了单星对目标位置估计.通过数学仿真验证了所提方法的有效性.

基于自适应中心误差熵的相对导航滤波算法

基于中心误差熵准则的卡尔曼滤波算法在非高斯噪声下具有强鲁棒性,但仍面临权值系数如何选择的难题。针对上述问题,提出一种变权值系数的自适应中心误差熵卡尔曼滤波算法。该算法将误差矢量引入权值系数更新函数,增强了代价函数对误差的敏感性,提高了算法的滤波精度。将其应用于编队卫星相对导航,仿真结果表明,相比于卡尔曼滤波算法和中心误差熵卡尔曼滤波算法,所提算法在处理线性非高斯系统的状态估计问题时表现出了良好的滤波性能,具有更高的滤波精度和对非高斯噪声更强的抑制能力。

回合制轨道博弈中MCTS算法的改进与应用

航天器回合制追逃博弈中的变轨感知延迟使得微分对策法求解困难,基于深度强化学习的博弈算法可解释性弱,在工程上的运用仍存在风险。针对航天器回合制追逃博弈问题,提出了一种预测价值积累的蒙特卡洛树搜索(PVA-MCTS)算法。该算法基于航天器轨道运动的可预知性,对博弈过程中的决策价值进行预测并积累,解决了航天器回合制追逃博弈奖励稀疏、时间跨度大的问题,采用的自适应扩展方法提升了学习效率。将其用于求解航天器回合制追逃博弈问题,并与蒙特卡洛树搜索(MCTS)算法求解得到的结果对比,结果表明PVA-MCTS算法对追踪航天器和逃逸航天器分别有约27.6%的追捕用时缩短和约6.8%的逃逸时间延长。该算法的提出可加快推进后续轨道博弈技术在非合作目标接近、碰撞规避等领域应用的落实落地。

基于多目标蚁狮优化算法的月球InSAR卫星编队构型设计

本文研究了月球干涉合成孔径雷达(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)卫星编队构型设计问题。首先,建立了基于相对偏心率/相对倾角(eccentricity/inclination,E/I)矢量的月球InSAR卫星相对动力学模型。然后,研究了月球轨道摄动环境下的编队飞行长期稳定飞行条件。进一步,以相对测高精度和模糊高度为优化指标,同时考虑星间安全性,给出了月球InSAR卫星编队构型优化的目标函数。针对现有的研究方法难以解决构型设计的多目标问题,应用改进多目标蚁狮优化算法实现了月球InSAR卫星编队构型设计。仿真结果表明,其在基线使用率方面更优,从而验证了所提算法的适应性和有效性。

偏流角误差对TDI CCD相机成像的影响与仿真

本文分析了TDI CCD相机的偏流角调整过程和偏流角误差匹配的影响因素,依据偏流角误差导致的姿态稳定度偏差对相机成像质量的影响,建立推扫相机像点与物点一一对应的数学模型,根据TDI CCD成像时超出对应像素的横向与纵向偏移量的累加计算,仿真卫星姿态稳定度改变时相机的成像;同时,利用单轴气浮转台和面阵CCD进行成像实验,将实验条件的像移速度与仿真条件的像移速度匹配,并对面阵CCD成像进行偏移量的累加,模拟推扫CCD成像,最后利用图像对比度和互相关相似性测度分析仿真成像与实验成像质量。仿真成像与实验成像在对比度和互相关相似性测度上相差为0.03左右,能较好满足地面卫星相机连调试验的图像仿真。

异构无人系统集群自主协同关键技术综述

本文给出了国内外异构协同项目实例及已经出现的异构集群形式,并综合文献资料给出了异构集群的定义。将同构多无人系统协同任务过程中的关键技术分为协同网络通信、协同决策与规划技术、协同编队控制技术和协同末制导技术,对每个关键技术进展做了总结概括,给出了异构集群相比同构集群的技术差异。在此基础上提出了任务前规划和协同博弈制导两个技术领域,提出了针对异构集群的分组配比问题,介绍了场景建模和双层优化模型求解技术的发展现状;针对多体对抗问题给出了微分对策理论需要解决的问题。最后对异构集群协同技术所面临的难点作出总结,并对该研究领域的未来发展作出展望。

电路噪声对星敏感器星点定位精度的影响

提出了一种测量星敏感器电路模块带来的图像噪声的方法。在实验室条件下,用星敏感器拍摄多幅背景图像,分析表明:不同背景图像上相同像素的灰度差值代表了电路模块带来的图像噪声,该噪声服从正态分布。模拟产生该正态分布的随机矩阵作为图像噪声加到理想的星点上,采用亚像素细分质心算法计算出带噪声的星点质心坐标,从而得到噪声带来的星点位置偏差。计算结果表明:实验室条件下,星敏感器实测6等星的质心测量精度为1/25 Pixel,而电路噪声将引起1/200 Pixel量级的标准偏差;电路噪声,尤其是DC/DC电源纹波噪声对星敏感器星点定位带来的误差是不容忽视的。

方柱微结构内气液界面振荡特性数值研究

重力突然下降引起的气液界面振荡和重构对空间流体管理具有重要影响.考虑到贮箱壁面润湿特性在该问题中的重要作用,借鉴传热强化领域方柱微结构表面设计思想,提出一种利用方柱微结构壁面对液体振荡的衰减作用实现空间贮箱被动防晃的方法.采用流体体积法(VOF)对一种方柱微结构形成的异形基本单元内气液界面振荡特性进行数值模拟,分析自由液面随时间的变化特征,并讨论系统振荡频率、阻尼特性等与能量耗散特性密切相关的参数变化规律.研究发现,初始液位主要影响液面振幅,振幅随着初始液位高度的减小而增大,但是液位过低时振荡过程会出现液面触底而加剧耗散;接触角对振幅和阻尼比都有影响,接触角增大,振幅和阻尼比均有所减小.

颤振对TDICCD相机像质的影响分析

为了分析卫星颤振对TDICCD相机像质的影响,给出了低频正弦颤振引起的相机像移,重点分析了滚动、俯仰、偏航三个方向的颤振对相机成像质量的影响.通过对两种卫星颤振动力学仿真数据的计算,具体研究了颤振对相机像质的影响程度.结果表明,TDICCD相机对卫星颤振幅值要求较高,且随TDI积分级数的增加,颤振的影响尤为突出,必须加以限制.

CCD噪声对星敏感器星点定位精度的影响

星点测量精度是表征星敏感器精度的一个重要指标,影响该精度的主要因素有:光学系统误差、图像传感器的噪声、电路噪声及软件算法等。图像传感器的噪声对星点定位精度的影响是不容忽视的,但很少对此进行研究。针对某给定参数的星敏感器,对TH7890M CCD图像传感器的各项噪声进行了定量计算;基于亚像素细分质心算法,针对各噪声的分布特点及规律,分别推导出各自的均方根误差,综合各项误差得到CCD噪声的星点定位精度模型。计算结果表明TH7890M CCD的主要噪声有读出噪声、光子散粒噪声和光响应不均匀性引起的随机噪声;影响星敏感器星点定位精度的主要噪声是读出噪声和光子散粒噪声;对6等星进行星点位置的估计,CCD噪声达到了1/40像素的精度水平。

偏流角对空间相机影响研究

研究了卫星运行中偏流角对TDICCD相机像质的影响。根据卫星运动状态,推导了偏流角的具体变化形式,以及由其在穿航方向和沿航方向引起的相机像移和由此造成的像质退化调制传递函数(MTF)。并针对高度为500 km的圆形卫星轨道,定量计算了偏流角导致的像移对相机像质的影响程度。结果表明:偏流角在赤道附近最大,随着纬度的升高,偏流角呈非线性减小。并且,由它引起的像移在穿航方向对相机像质的影响远大于沿航方向。对于给定的轨道参数,偏流角最大值约为3.7°,当积分级数为32时,由其引起的像移调制传递函数接近于零,严重影响了相机的成像质量。为此,提出了使用二维摆镜和调整焦平面方向两种实时补偿偏流角影响的方法。

宽视场长焦距离轴三反射镜光学系统的设计

分析了离轴三反射镜系统成像特性.根据共轴三反射镜光学系统像差理论,确定结构参数的基本计算公式.设计了长焦宽视场的离轴三反射镜光学系统,分析了系统结构参量对像差的影响.结果表明,该系统视角较大,地面复益范围较宽,成像质量接近衍射极限.

速高比对TDICCD相机的影响分析

高分辨率星载时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD)相机在侧摆成像过程中,速高比变化会引起相机图像运动角速度的变化,恶化相机的像质。因此研究卫星相机成像时速高比的变化规律,并分别从成像地面景物的纬度变化和相机侧摆角度的变化两个方面研究速高比变化对成像质量的影响。通过实例计算,给出了时间延迟积分(TDI)行积分时间调整的时间间隔和相机成像时允许的侧摆角度范围。最后分析了视场变化对相机像质的影响。

带可控臂绳系卫星释放及姿态控制

考虑带可控机械臂绳系卫星的面内运动,研究其释放阶段的子星位置和姿态控制问题.系绳释放时,通过调整机械臂转角实现子星姿态的无动量轮控制.控制律设计分为两步:首先,基于非线性最优控制理论,研究在状态和控制约束下的子星位置及其姿态控制,通过二阶Legendre伪谱法求解开环最优控制律;其次,以开环解为参考,基于轨迹跟踪思想设计反馈控制器,其中反馈控制增益由开环最优控制算法及数值插值确定.最后通过算例研究验证了该方法的有效性.

空间相机中的偏流角分析

高分辨率星载 TDI-CCD 相机在成像过程中,偏流角会对相机的成像质量产生影响.因此根据卫星轨道方程给出了偏流角和偏流角角速度随纬度变化的具体形式,基于此分别研究了偏流角在卫星穿航方向和沿航方向引起的像移量和它对相机成像质量的影响.结果表明,偏流角是纬度的函数,由它引起的像移在穿航方向对相机像质的影响较为严重,必须加以校正.并针对极地圆轨道详细计算了像移对像质的影响程度和在 MTF_(偏流角)>0.95的情况下偏流角需要调整的最小时间间隔.

三维非结构网格DSMC并行算法及应用研究

基于PC-CLUSTER机群并行体系结构与消息传递库MPI并行环境,研究了三维非结构网格DSMC并行算法。提出一类基于结构背景网格上的非结构网格动态分区策略,保证各子区域的分子数量大致相等,实现计算进程间的动态负载平衡。利用MPI库函数构造了两类符合DSMC并行原理的通讯法:单步通讯法与多步通讯法。采用单控制多数据流(SPMD)以及Master/Slave并行模式,设计了三维非结构网格DSMC整体并行算法。给出了跟踪模拟分子在四面体网格间迁移运动的详细计算过程。最后对全尺寸航天飞机高超声速绕流进行了并行模拟,验证并行算法的有效性。

单框架控制力矩陀螺转子动不平衡对遥感卫星成像的影响

分析了单框架控制力矩陀螺(SGCMG)转子在高速旋转时产生的动不平衡干扰力矩引起的星体颤振角和颤振角速度对TDI CCD相机成像的影响。通过坐标变换将转子坐标系下的干扰力矩转换至星体坐标系下的干扰力矩,将卫星姿态动力学方程计算出干扰力矩引起的星体颤振角位移和颤振角速度代入TDI CCD相机成像像移补偿模型;利用TDICCD相机像点与物点对应模型的仿真系统仿真了陀螺转子在不同转速下引起星体颤振角位移和角速度对相机成像的影响;最后,利用图像对比度和互相关相似性测度分析仿真成像质量。仿真显示:SGCMG转子在转速为3 000 r/min时,横向调制传递函数为0.997,图像互相关相似性测度为0.996 1;转速为6 000 r/min时,横向调制传递函数为0.928 3,图像互相关相似性测度为0.974 8。结果表明:SGCMG转子在高速旋转过程中引起的星体颤振角位移和角速度严重影响了TDI CCD相机的成像质量,应依据颤振的影响对SGCMG实施减震措施。