陆地生态系统碳监测卫星自主任务规划研究

低轨遥感卫星往往以全球或全国范围内的特定地物为探测目标。为提高卫星在轨运行的自主性,文章提出了一种面向地物目标属性的遥感卫星自主任务规划方法。首先外推出预报点90 min后的星下点经纬度,并根据星载地图和太阳高度角,得到预报点的阳照/阴影、陆地/海洋、境内/境外属性。对地物目标属性信息进行平滑处理后,根据各载荷的地物目标属性,识别出各载荷的工作任务时间段,可实时实现提前约1个轨道圈的载荷自主任务规划。

地球静止轨道航天器绕飞持续观测任务轨迹规划与控制

针对地球静止轨道(geosynchronous orbit,GEO)航天器的高清观测任务,成像卫星在连续小推力作用下接近GEO航天器,对GEO航天器自然绕飞并以有利的光照条件对其持续观测。针对Clohessy-Wiltshire(CW)方程的偏差问题,通过修正非球形摄动和重力加速度二次长期项偏差对CW方程进行改进,补偿非线性偏差的长期项和主要的摄动项。在轨迹规划问题上,计算绕飞轨迹的初始相位角区间,以保证成像卫星在整个绕飞任务中都能够以良好的观测角观测GEO航天器。基于CW方程和改进的CW方程对成像卫星接近和绕飞GEO航天器全过程进行仿真,基于CW方程的仿真没有达到预期目标;基于改进的CW方程的仿真达到预期目标,全过程所需施加的总速度增量仅为4.67 m/s,工程上具有很强的可行性。

无动力双小行星探测器的鲁棒释放策略

针对无动力探测器的双小行星表面着陆问题,考虑了实际工程任务中导航与控制系统不可避免地存在偏差情况,基于着陆器与天体表面弹跳接触的无控表面附近探测动力学分析结果,提出了无动力着陆器鲁棒释放策略设计方法。利用蒙特卡罗仿真对导航和控制误差造成的着陆轨迹末端状态误差进行不确定性分析。通过对从周期轨道释放、从自然平动点释放和从外部区域悬停点释放等3种不同的初始轨道进行全面分析,总结无动力着陆器释放的鲁棒性与安全性,得到最优的鲁棒释放策略。

大气环境监测卫星地方时控制策略优化

针对大气环境监测卫星地方时的控制和优化问题,从太阳同步轨道卫星的地方时漂移规律入手,建立了地方时漂移估计模型,给出了通过改变倾角来调节地方时漂移的控制策略。在此基础上,采用遗传算法对控制策略进行了优化,讨论了相关算子的选择,最终得到了燃料有限情况下的最优控制曲线。优化结果表明:不限燃料情况下,大气环境监测卫星可通过寿命内一次倾角控制实现小于6.6 min的地方时偏差。此外,为了保证地方时偏差小于15 min的指标要求,卫星至少需要进行一次0.07°的倾角控制。

深空探测全域轨迹优化设计平台研究与实现

提出了基于任务定义的深空探测全域轨迹优化设计概念与实现方法。首先,对复杂任务定义、自适应模型库与多环节迭代优化等关键技术进行了详细的阐述。然后,重点讨论了深空探测全域轨迹优化设计软件平台的设计技术与系统实现。最后,基于该平台丰富的模型库,对嫦娥五号等深空探测任务的全过程飞行轨迹进行了优化设计与对比。研究结果表明,开发的深空探测全域轨迹优化设计软件平台具有复杂任务适应能力强、可拓展性好的特点,可为类似软件系统的研发提供借鉴。

大型星座混合模拟退火遗传算法测控任务规划

提出了一种基于拥挤度的混合模拟退火多层编码遗传算法,用于解决大型星座的测控任务规划问题。首先,建立了大型星座测控问题的约束满足模型,对任务规划过程中的各种约束条件和优化目标进行了形式化描述。第二,采用多层编码的方法建立测控方案与解空间的对应关系,并采用遗传算法的启发式方法进行全局搜索。第三,为了增加种群的多样性并加快收敛速度,在每代进化结束后对种群中最优的部分个体进行基于拥挤度的模拟退火。超180颗卫星,32个地面测控天线的真实大型星座测控任务规划试验表明,基于拥挤度的混合模拟退火遗传算法的任务完成率高达99%,归一化综合收益大于0.9,算法运行时间小于15 min,验证了该方法具备工程实用价值。

子母型航天器抵近观测任务流程规划方法研究

针对复杂约束条件下子母型航天器在轨服务过程中的任务规划问题,首先设计了子母型航天器飞行任务流程。其次,在考虑时间、光照、距离限制等约束下,提出了一套两层混合式优化方法。该方法上层采用改进自适应遗传算法来优化任务流程中不同阶段的时间节点,下层通过多圈Lambert算法、双脉冲控制算法以及打靶修正法来优化上层时间节点固定情况下不同阶段的飞行轨迹,从而解决不同场景下子母型航天器抵近观测任务流程规划问题,并减少燃料消耗。最后,将该方法应用到两个典型任务场景中,通过仿真进一步验证了该任务规划算法设计的可行性和有效性。

火星探测器再入RCS喷流干扰效应数值模拟研究

针对火星大气环境下的反作用力控制系统(RCS)喷流干扰问题,采用自研CFD软件数值模拟“火星科学实验室”(MSL)外形在火星大气环境中的喷流干扰效应;并与文献中的高超声速喷流干扰风洞试验和计算结果进行对比验证;继而完成了火星大气环境高超声速(M_(∞)=5~10)条件下的偏航方向喷流干扰效应数值模拟,获得了不同攻角(α=0°~-30°)、不同马赫数条件下的喷流干扰气动规律:负攻角增大将导致喷流干扰效应增强以及附加偏航力矩增加;来流马赫数对附加干扰力矩的影响较小。研究结果可为火星探测器喷流控制设计提供参考。

基于星载光电成像跟踪测距的空间目标定轨

以获得空间未知目标的轨迹运动信息为目的,研究了一种基于星载光电成像跟踪测距方式的空间目标定轨技术。该技术从测量学角度出发,利用星载光学测量系统获得目标的相对运动信息,利用角度传感测量系统获得卫星的姿态角变化和跟踪架的角随动信息,最后通过坐标变换解算出目标在地球惯性坐标系中的绝对运动信息。文中依次从物理模型、坐标体系、基本原理等方面对该项技术进行了描述和推导,获得了目标在地球坐标系下的状态方程和观测方程。最后,在对天基监视卫星轨道模型、星载光电跟踪控制模型、目标特性及光学成像测距模型进行分析后,建立了具体的数学模型,并对计算结果进行了分析讨论。得到的结果显示理想模型的目标轨迹测量精度优于0.5km。

星间相对测量在三星编队中的应用

以NASA新千年计划中的深空计划3为背景,使用星载类GPS的伪距和载波观测数据,研究利用编队卫星间相对测量,高精度自主确定三星编队星座相对状态的有关问题;研究星间相对测量各种可能的测量方案和可能达到的精度,验证这种星间相对测量技术是否能够满足深空计划3的系统要求。首先建立了三星编队星间相对测量系统的数学模型,然后利用星载高精度伪距和载波观测信息,对各种可能的测量方案进行仿真协方差分析;研究利用卫星姿态机动提供的几何信息,进行单差整周模糊度初始化的问题,讨论了卫星姿态机动方案;最后针对每一种测量方案给出了仿真结果和相关的结论。

HY-2卫星双频GPS精密定轨技术

海洋二号(HY-2)卫星双频全球定位跟踪系统(GPS)接收机获取的GPS数据是基于非差简化动力学方法应用于HY-2卫星精密轨道确定。差分GPS载波相位数据可以消除钟差,同时利用GPS数据获得HY-2卫星轨道和GPS卫星轨道。GPS数据确定的轨道利用激光测距进行了检核,并与法国太空总署确定的轨道以及综合定轨策略确定的轨道进行了比较,HY-2卫星基于GPS数据精密轨道径向成分优于3cm。

星载光电捕获跟踪瞄准控制技术分析

本文以天基监视为研究背景,主要围绕星载光电捕获跟踪瞄准(ATP)控制技术展开研究,针对卫星调姿变轨和跟踪架转动的多自由度配合控制过程,依次对天基监视物理模型、星载光电ATP控制系统方案和电视跟踪精度进行了分析。通过分析,不仅对这种多阶段多任务多模式切换的ATP控制有了较为清晰的理解,而且对其中所涉及的关键技术获得了较为全面的认识,对星载光电ATP控制系统设计有一定的指导意义。

星载光电复合轴跟踪控制技术研究

将两轴光电跟踪仪搭载于卫星平台对空间运动目标进行持续跟踪监视正在成为一个研究热点,目前这类系统有天基空间目标监视系统(SBSS)、空间跟踪与监视系统(STSS)和持续跟踪与监视系统(PTSS)。为了解决天基目标监视中星载动基座情况下的光轴稳定跟踪控制技术,首先简化了星载光电跟踪控制系统的物理模型,然后求解了太阳同步轨道附近两卫星的相对运动角速度和角加速度大小,接着分析了基于光电复合轴方式的主动稳定跟踪控制方案和原理,最后建立了单轴系的星载光电复合轴跟踪控制系统仿真模型,计算结果为:对相对机动范围内(37.68(°)/s、47.33(°)/s2)的空间目标和相对低匀速范围内(0.1(°)/s)的空间卫星的稳定跟踪精度为2.5″。

天基照相机监测空间目标定轨方法及精度分析

考虑天基照相机观测中小尺寸空间目标时具有能耗低、精度高以及易于小型化实现等优势,研究了利用天基照相机监测空间目标的轨道确定和可观测性计算方法。分析了太阳同步轨道作为天基监视轨道的优点,结合目前国外的几种天基卫星轨道类型,设计了天基卫星轨道,在此基础上仿真分析了对不同轨道类型空间目标的可见观测弧段。根据目前地基光学观测设备的测轨精度和轨道动力学模型误差,添加了不同的测轨系统误差、随机误差及一定的动力学模型误差,仿真分析了对不同轨道高度空间目标的定轨精度。分析结果表明,采用6天7分钟/两天的天基光学测轨数据对近地轨道的空间目标定轨时,若测轨精度优于30″,动力学模型误差小于50%,则定轨精度与美国编目轨道(TLE)精度相当。采用10分钟/天的天基光学测轨数据对地球同步轨道上的空间目标定轨时,若测轨精度优于10″,动力学模型误差小于50%,则定轨精度在美国编目轨道精度范围内。

多航天器协同探测星簇构型探测效能的评价方法

为定量评估不同星簇构型设计的探测效能以进行各航天器的轨道设计,基于空间四面体构型的体张量定义,分析现有空间四面体构型的评价参量,并采用将空间五航天器构型分解为"五个四面体"和"主四面体加第五点问题"这两种方法定量评价空间五点协同探测星簇构型的探测效能。最后利用项目组已有的五个航天器在一个轨道周期内的模拟轨道数据对所提出的方法进行仿真,结果表明所提出的方法可以较好地评价空间五点构型的探测效能。

火星进入、下降与着陆技术的新进展——以“火星科学实验室”为例

文章以"火星科学实验室"为例,对火星进入、下降和着陆(EDL)技术的新进展进行了分析和总结。首先,简要介绍了"火星科学实验室"任务需求和遇到的技术挑战;然后,详细说明了相应的对策以及具体技术方案,并针对当前所遇到的问题,列举了一些可能的解决方法;最后,对"火星科学实验室"发展的新技术、新方法进行了总结。

GPS用于编队星座的姿态与相对位置确定

利用载波相位差分GPS技术确定编队星座的姿态和相对位置时,由于卫星状态间的相互耦合和差分观测值的相关性,应该联合星内和星间的差分观测进行状态的整体解算.文中给出了利用星间差分观测值形成的空间网形约束、联合星内和星间差分确定编队星座姿态和相对位置方法.数学仿真结果表明该方法的有效性.

平流层飞艇控制与推进技术

飞艇作为平流层平台可以实现无线通信、空间观测、大气测量以及军事侦察等目的。本文主要结合平流层的环境特点对平流层飞艇动力推进系统的组成和概念进行初步分析,并对飞艇在升空、浮空、回收过程中的飞行控制策略进行探讨,同时简要分析了控制系统的组成、控制难点和飞艇应急控制问题。

Jason-2 DORIS/SLR精密定轨

Jason-2卫星搭载了第三代DORIS接收机DGXX,与前两代接收机相比,DGXX在时效性和数据量上都有显著提高。本文研究了DGXX接收机输出的相位观测数据与传统的Doppler数据之间的转换,并通过内符精度比较、轨道重叠检验、独立轨道比较及卫星激光测距(SLR)检验分析了DORIS数据独立定轨和SLR+DORIS数据联合定轨精度及SLR在联合定轨中的贡献。另外,考虑到部分DORIS地面信标站气象数据可能不够精确或缺失会影响DORIS数据中对流层延迟模型改正精度,本文通过和实测气象数据比较分析了最新的气象参数模型GPT在DORIS定轨中的应用及其对定轨精度的影响。计算结果表明:GPT模型和DORIS地面信标站实测气象数据的定轨精度相当,在无实测气象数据情况下可利用GPT模型替代;DORIS数据独立定轨和SLR+DORIS联合定轨径向均能达到1cm精度,SLR+DORIS联合定轨精度略优于DORIS独立定轨精度,联合定轨中SLR的主要贡献是能降低解算参数中的湿天顶延迟和DORIS频率漂移的相关性、保持轨道精度的长期稳定性。

欠驱动航天器飞轮控制方法

针对应用任意剪刀对构型飞轮群的欠驱动刚体航天器姿态控制问题,将飞轮群与航天器看作整体系统进行建模,从整体系统可控性角度分析采用传统模型进行控制系统设计存在的局限性。随后通过对飞轮群角动量集合描述,得出航天器姿态可机动集合。由于飞轮群构型的任意性及航天器的欠驱动特性,导致具有初始角动量的整体系统难以针对系统状态方程采用Lyapunov函数方法进行状态反馈控制器设计,同时为了保证存在外扰动力矩的航天器姿态机动精度,采用非线性预测控制方法实现系统的反馈控制。所提控制算法实现了任意飞轮群剪刀对构型、飞轮群角动量非饱和条件下,任意系统初始角动量欠驱动航天器在姿态可机动集合中的机动控制。仿真结果表明,系统具有良好的控制性能及精度。