基于CEI测量的GEO目标快速轨道恢复

连线干涉测量(Connected Element Interferometry,CEI)是一种全天时全天候的被动测角技术,已用于空间目标的跟踪监视.地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星需要频繁机动以保持轨位或完成其他任务,其机动后的快速轨道恢复能力对于监视预警极为重要.针对基于CEI的GEO短弧定轨和预报,分析了定轨算法的形亏和数亏,在附加先验轨道约束的短弧定轨基础上,提出了轨道半长轴初值的自适应优化方法.利用亚太七号卫星的CEI仿真和实测数据进行了短弧定轨和预报,实验结果表明,采用优化后的半长轴初值,30min短弧定轨和10min预报的卫星位置分量精度均优于4km,能够满足非合作GEO目标机动后快速轨道恢复的需求.

基于失效卫星轨道数据的空间环境评估方法

卫星姿轨控系统失效后,在空间自由漂浮,空间环境的长期影响及其变化将直接在失效卫星的轨道参数的微弱变化中体现。本文研究了失效卫星轨道根数数据用于原位溯源空间环境长周期扰动影响的可行性及方法,基于非均匀采样傅里叶变换手段,实现公开卫星轨道数据的长周期频率特征提取,并与太阳活动相关的空间环境影响周期匹配。通过大数据分析多颗失效卫星公开轨道数据,以卫星轨道倾角为例,识别出太阳活动相关的空间环境对低轨卫星轨道摄动的周期400、89和13.5 d。该方法为失效卫星轨道数据的利用挖掘提供了新思路。

近地轨道质子和α粒子入射InP产生的位移损伤模拟

磷化铟(InP)材料具有禁带宽度大、电子迁移率高、耐高温、抗辐照等优点,是制备航天器电子器件的优良材料.近地轨道内的质子和α粒子对近地卫星威胁巨大,其在InP电子器件中产生的位移损失效应是导致InP电子器件电学性能下降的主要因素.本文使用蒙特卡罗软件Geant4研究近地轨道的质子与α粒子分别经过150μm二氧化硅和2.54 mm铝层屏蔽后,在500/1000/5000μm InP材料中产生的非电离能量损失(non-ionizing energy loss,NIEL)、平均非电离损伤能随深度分布以及年总非电离损伤能.研究发现:低能质子射程短且较易发生非电离反应,入射粒子能谱中低能粒子占比越大,材料厚度越小,NIEL值越大;计算质子和α粒子年总非电离损伤能,质子的年总非电离损伤能占比达98%,表明质子是近地轨道内产生位移损伤的主要因素;α粒子年总非电离损伤能占比小,但其在InP中的NIEL约为质子的2-10倍,应关注α粒子在InP中产生的单粒子位移损伤效应.本文计算为InP材料在空间辐射环境的应用提供了参考依据.

一种空间双臂机器人有限时间柔顺抓捕策略

提出了一种面向非合作目标捕获的空间双臂机器人有限时间柔顺抓捕策略。首先建立了自由漂浮基空间机械臂以末端执行器位姿自由度为广义坐标表示的末端执行器动力学模型。在此基础上基于全局快速非奇异终端滑模控制理论设计了有限时间轨迹跟踪控制器,实现了末端执行器的有限时间轨迹跟踪控制。进一步采用一种三指末端抓握机构,建立了末端执行机构-目标抓捕位置子系统动力学模型,在该模型基础上基于柔顺控制理论设计了复合柔顺抓握控制策略,解决了末端执行器对目标的柔顺抓握控制。仿真结果表明,所设计的有限时间柔顺抓捕控制策略能够实现空间双臂机器人在有限时间内对翻滚目标的柔顺抓握控制。

基于电压调控自旋轨道矩器件多数决定逻辑门的存内华莱士树乘法器设计

在使用新型非易失性存储阵列进行存内计算的研究中,存内乘法器的延迟往往随着位宽的增加呈指数增长,严重影响计算性能。该文设计一种电压调控自旋轨道矩磁随机存储器(VGSOT-MRAM)单元交叉阵列,并提出一种存内华莱士树乘法器的电路设计方法。所提串联存储单元结构通过电阻求和的方式,有效解决磁存储器单元阻值较低的问题;其次提出基于电压调控自旋轨道矩磁存储器单元交叉阵列的存内计算架构,利用在“读”操作期间实现的5输入多数决定逻辑门,进一步降低华莱士树乘法器的逻辑深度。与现有乘法器设计方法相比,所提方法延迟开销从O(n^(2))降低为O(log_(2)n),在大位宽时延迟更低。

基于N-EKF的非合作低轨目标双星无源定位跟踪算法

针对两颗天基光学卫星对低轨非合作目标进行无源定位跟踪的问题,提出了一种基于Newton迭代与扩展卡尔曼滤波(Newton iteration and extended Kalman filter,N-EKF)的定位跟踪算法。首先,将基于角度测量信息的双星观测模型转化为双直线公垂线中点问题,并进一步转化为非线性方程问题,使用Newton迭代算法得到非合作目标的初始定位信息。然后,采用扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)方法,在初始定位信息基础上,结合近地轨道动力学模型,实现对非合作在轨目标的精确跟踪滤波。最后,通过仿真验证了所提方法的可行性及优势。

多层星座网络仿真教研系统设计与实现

随着6G架构的逐渐清晰与天空地海一体化需求的明确,非静止轨道卫星星座的发展进入了空前繁荣的阶段,美国STARLINK、Kuiper、英国OneWeb、中国卫星互联网星座等系统处于建设与部署的关键阶段。其中,多层星座网络的设计是解决全球无缝覆盖与随需接入的重要研究对象。然而,受限于卫星通信系统建设成本高、系统复杂、正式系统运行受国家管控等,真实系统难以直接应用于高等院校的实验教学工作。目前卫星通信相关课内实验及综合实验主要以机房参观、实验箱分组实验等方式进行,既缺乏直观的系统认识,且参与度较低。针对上述需求,该文设计了一套基于“轨道建模+系统分析+动态显示”的仿真系统,并利用快照仿真的思想实现了非静止轨道卫星星座的高动态性分析过程。实验结果表明,该系统能够较好地完成大规模多层星座网络的覆盖分析、同频干扰分析等功能,可支撑卫星通信、无线通信、通信综合实验等课程的实践需求。

G-利普希茨跟踪性、G-等度连续和G-非游荡点集的研究

利用度量G-空间中映射f与轨道空间中诱导映射f之间的性质,研究了映射f的G-利普希茨跟踪性、G-等度连续、G-非游荡点与诱导映射f的利普希茨跟踪性、等度连续、非游荡点集之间的动力学关系,得到如下结论:(1)映射f具有G-利普希茨跟踪性■诱导映射f具有利普希茨跟踪性;(2)映射f是G-等度连续的■诱导映射f是等度连续的;(3)映射f的G-非游荡点集ΩG(f)在X中稠密?诱导映射f的非游荡点集Ω(f)在X/G中稠密。

大规模低轨星座的实时精密定轨技术

在全球导航卫星系统的支撑下,分析地面集中解算和星上自主解算精密定轨的优缺点,并将高精度轨道非保守力模型应用于星上实时自主定轨算法,实现运动学和动力学定轨的分离,对于需要频繁机动的低轨卫星精密定轨具有显著优势。结果表明,辐射光压和大气阻力非保守力物理模型计算的加速度精度约5 nm/s^(2);采用广播星历进行定轨解算可以达到0.8 m位置精度,低轨卫星速度误差约1.1 mm/s;采用实时精密星历,位置精度可以达到8.0 cm,卫星速度精度约0.1 mm/s。低轨卫星实时精密定轨和预报方法可有效支撑大规模低轨星座的导航功能实现。

地球静止轨道在轨服务技术研究现状与发展趋势

地球静止轨道(GEO)是人类仅有的一条独特卫星轨道,是极其珍贵的轨道资源。首先分析了GEO环境现状和未来趋势,然后从"GEO轨道保护"和"GEO卫星在轨维护"两方面论述了GEO在轨服务技术的内涵、服务机会和效益,介绍了世界各国GEO在轨服务技术的主要研究进展,归纳了其中的关键技术。最后,对未来的发展趋势进行了展望。

关于非开普勒轨道的讨论

讨论了非开普勒轨道问题的形成、提出及其应用。首先引述了开普勒三大定律,说明了其作为天文观测结果的创造性概括能够描述行星的运动学原理;然后提出了非开普勒轨道问题,它是人造卫星可控性的必然结果。叙述了典型的非开普勒轨道问题,包括航天器在单心引力场中的运动(即二体问题)和多心引力场中的运动(即多体问题),作为特例研究了螺旋变轨爬升轨道和悬挂轨道。最后提出了非开普勒轨道的应用,包括动能拦截问题,多星编队、组网与重构问题,系统整体组合优化机动问题等。

过程噪声方差实时补偿的非定轨目标跟踪

针对非定轨目标跟踪问题中过程噪声统计特性未知的特点,提出了一种实用的对过程噪声方差进行实时补偿的目标跟踪算法。该算法根据强跟踪滤波器的思想,通过实时检测新息序列来修正卡尔曼滤波算法中的状态预测误差协方差矩阵,进而对未知的过程噪声方差矩阵进行实时地补偿。由于存在新息检测机制,该算法能够有效地规避表征建模不确定性的过程噪声统计特性未知的问题,对于建模不确定性具有一定的适应能力。通过对一旋转靶标跟踪问题的仿真试验,证明了该方法的有效性。

陀螺进动与强迫进动轨道

陀螺进动与轨道进动现象的相似性归因于二者的动力学相似性.通过类比二者的动力学模型,提出了一类强迫进动轨道.若以圆轨道为初始轨道,通过施加常值法向力可以实现一种特殊的悬浮型强迫进动轨道.采用四元数建模方法求解了这种强迫进动轨道的进动规律,给出了解析表达式,据此分析了这种轨道的性质.分析结果表明这种强迫进动轨道与初始圆轨道在同一球面上,且与初始位置相切.其角速度为进动角速度与初始轨道角速度的合成,是一种悬浮轨道,即属于非开普勒轨道.悬浮轨道在地球观测、行星际科学、天文观测、无线电通讯以及地球工程等领域具有潜在应用前景.从强迫进动的角度出发所作的分析为悬浮轨道的实现提供了一种新途径.

航天器共振轨道研究

建立航天器非开普勒运动理论是航天技术发展的必然。提出了一类非开普勒轨道——共振轨道。共振是自然界的一种普遍现象,当发生共振时,很小的输入可以使系统的状态产生较大变化。研究表明航天器在推力作用下的非开普勒运动在参数平面内可以视为一种受迫振动,也会发生共振现象。因此,可以利用共振原理来研究航天器的运动,称这样一类非开普勒轨道为共振轨道。首先通过合理地选择轨道描述参数、时间尺度和推力描述方式建立航天器共振轨道的动力学模型。然后讨论航天器在推力作用下轨道运动的振动规律,并给出共振轨道的概念及轨道方程。最后提出基于共振轨道的机动轨道设计方法。

LEO/MEO卫星通信系统ISL网络路由及切换性能研究

为了研究高度不同的卫星通信网络的路由和切换性能,采用Walkerdelta型星座构成两种非静止轨道卫星通信系统,分析和比较了LEO和MEO卫星通信网络构成特点和星间链路的俯仰角、方位角和星间链路长度变化。采用不同的路由策略以满足不同服务质量的要求,分析该策略下的卫星网络性能。设计了一种混合路由策略,综合考虑时延、时延抖动、切换和通信中断4项指标,进而比较不同高度的两种卫星网络应用不同路由策略时的性能。结果表明,混合路由策略上述服务质量的综合指标最优,该策略能够为各种用户提供不同的服务质量,提高卫星通信系统有效性和可靠性。

基于对数螺旋线的非开普勒轨道设计

基于形状的方法为非开普勒轨道设计提供了一种全新的研究思路。在假定轨道形状为对数螺旋线的前提下设计了拦截轨道。首先通过无量纲化处理方法推导出了对数螺旋线轨道的地心距、极角随时间的变化率与轨道设计参数q的关系式;其次结合运动方程,得到了飞行器沿对数螺旋线轨道运行时需要施加的推力加速度;接着分别针对初始轨道是圆和椭圆的情况进行机动轨道设计。给出了轨道设计的仿真算例和相关分析,结果表明对数螺旋线适宜于拦截轨道设计;当初始轨道为大偏心率椭圆时,采用此方法设计轨道,在一定相角范围内开始机动,可使飞行器运行时间短,且燃料消耗少。

第二类无奇点根数的北斗历书参数设计

为统一北斗三类卫星的历书拟合算法，提出基于第二类无奇点根数进行历书参数设计的方法，设计了以倾角向量变率作为摄动参数的历书参数模型，并给出新的历书模型的用户使用算法。利用覆盖2013年全年的实际在轨卫星的数值轨道进行了历书拟合试验。结果表明，地球静止轨道（GEO）和倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星的拟合位置误差为2～4km，拟合用户距离误差（URE）约为1km，中圆地球轨道（MEO）卫星的拟合位置误差为1～2km，拟合URE约为500m。通过分析6个轨道根数和2个摄动参数全年的变化范围，对新历书模型进行量化单位和占用比特位的通信接口设计，定量分析量化单位对历书表达精度的影响。结果表明，参数截断后对位置误差的影响小于50m，对URE误差的影响小于5m。因此，历书量化误差对信号捕获以及首次定位时间带来的影响可以忽略不计。

中国的三种非同步轨道卫星移动通信系统星座方案

本文介绍基于我国的三种非同步轨道卫星移动通信系统星座方案：低、中轨系统各有２４和１８颗星，轨道高度分别为１３２６和８０３５ｋｍ，两系统各以５°和３０°的仰角对我国的覆盖率为９９．７８％和９９．９６％；椭圆轨道系统１２颗星，近、远地点分别为４２７和２９０６ｋｍ，以７°和１５°仰角对我国北纬２０°以上地区覆盖率分别为９７．９０％和８９．６１％，若增加４颗中轨卫星，以１５°仰角对我国的覆盖率为９９．９９％。

非圆轨道卫星实现共面悬停的方法

通过矢量控制,使任务卫星始终在目标卫星的轨道平面内飞行,同时保证"任务卫星-目标卫星-地心"的夹角和两颗卫星间的相对距离保持不变,从而实现共面悬停飞行。重点进行了任务卫星悬停飞行的动力学理论分析,推导了悬停飞行过程中任务卫星相对于目标卫星的径向和切向加速度需求,给出了开环控制方案,对不同悬停任务的能量需求进行了对比分析,最后对悬停飞行过程进行了动力学仿真。

非开普勒轨道动力学与控制

主要讨论非开普勒轨道与传统开普勒轨道的异同点,试图归纳非开普勒轨道面临的动力学与控制新问题。从设计的角度出发,给出了非开普勒轨道的定义。针对目前讨论较多的几种非开普勒轨道,总结了研究这些轨道将会面临的新问题和难题。最后,讨论了非开普勒轨道的应用。