On-orbit target tracking and inspection by satellite formation

A new type of estimator is developed for the satellite formation to track and inspect on-orbit targets. The follower satellite in the formation works without relative sensors, and its target pointing commands are derived based on relative orbital dynamics. The centralized estimator based on truth measurement is designed, however, this estimator is proved unstable because of the lack of necessary measurement information. After that, an alternative estimator based on pseudo measurement is designed, and its observability and controllability are analyzed to qualitatively evaluate the convergence performance. Finally, an on-orbit target inspection scenario is numerically simulated to verify the performance of the estimator based on pseudo measurement.

Angles-only relative navigation in highly elliptical orbits

For angles-only relative navigation system only measures line-of-sight information,there are inherent problems in the ability to determine the range between Chaser and Target. Angles-only relative navigation is an attractive alternative for inspecting or rendezvous with noncooperative target,if adequate accuracy can be achieved. Angles-only relative navigation model considering J2 perturbation is presented for tracking and rendezvous with noncooperative target in highly elliptical orbit. Impulsive out-of-plane maneuvers of the Chaser are used to improve the navigation accuracy. The first impulse burns in cross-track directions to change the orbit inclination of the Chaser. The second impulse burns after one orbit period to change the orbit of the Chaser back. The simulation results show that the relative navigation system without maneuvers can't correct the initial state errors,while impulsive out-ofplane maneuvers of the Chaser improves the navigation accuracy. Angles-only relative navigation with chaser vehicle maneuvers to improve observability is effective when the spacecrafts are in highly elliptical orbits.

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。

自由漂浮空间机器人捕获翻滚目标的力-位-型融合控制方法

翻滚目标捕获过程中,空间机器人的运动会对基座产生扰动、接触过程的冲击碰撞容易产生安全风险。因此,为了在捕获翻滚目标的同时抑制空间机械臂对基座的扰动和对目标的碰撞冲击,提出一种自由漂浮空间机器人力-位-型融合控制方法。首先将自由漂浮空间机器人的非完整冗余性、运动冗余性表征为型空间,构建由末端位姿、型状态组合的广义状态空间并建立系统的运动学和动力学模型;通过优化基座与机械臂的位-型及零空间运动,减小机械臂抓捕运动在基座产生的扰动;通过优化基座、机械臂与翻滚目标的相对位-型,减小碰撞冲击力在基座产生的姿态扰动。给定最优位-型及末端操作力,基于阻抗控制原理及零空间投影策略,实现多优先级力-位-型融合控制。最后,开展了空间机器人捕获翻滚目标的典型任务仿真,结果表明通过力-位-型融合优化与控制方法可以有效减小空间机器人捕获过程产生的基座扰动。

基于多种群混沌遗传算法的GEO目标服务任务规划

面向地球同步轨道(geosynchronous Earth orbit,GEO)空间目标碎片清除、燃料加注等不同在轨服务需求,研究了“固定储油站+往返航天器”相结合的航天器任务规划问题。首先,建立了多任务混合的燃料最优双层任务规划模型,外层为目标服务序列规划,内层为轨道机动规划。随后,针对该连续-离散混合变量组合优化问题,提出了一种多种群混沌遗传算法(multi-group chaotic genetic algorithm,MGCGA),采用混合编码表征决策变量,引入立方混沌映射算子提高初始种群质量,多种群及精英保留策略使得算法在求解过程中能更为显著地逼近全局最优解。最后,参考实际GEO目标构建了典型算例,规划结果表明所提算法具有全局收敛性好、收敛速度快的优点。

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。

一种基于CEI的GEO目标滑窗式机动探测方法

为了进一步提升地面跟踪站的监视预警能力,提出一种基于连线相位干涉测量(CEI)的地球静止轨道(GEO)目标滑窗式机动探测方法:立足于CEI的GEO短弧段定轨和预报,基于GEO卫星位保机动的持续小推力和轨道缓慢渐变特性,提出一种针对GEO目标尤其是非合作GEO目标的滑窗式准实时机动探测方法;并利用亚太七号和中星十号卫星的CEI仿真和实测数据进行机动探测。结果表明,东西机动和南北机动捕获与卫星发动机的点火时刻基本保持一致,机动探测延迟量均小于10 min;能够实现GEO目标的准实时机动告警。

中轨SAR舰船动目标特性分析与定位技术

针对中轨合成孔径雷达(SAR)单通道模式下舰船动目标成像特性进行了分析。相比于低轨SAR,中轨SAR系统脉冲重复频率较低,舰船动目标成像极易发生模糊,且模糊像相距较远。在动目标定位处理中,为了获取动目标信号的完整方位包络以实现定位参数的准确估计,需要直接截取包含全部模糊像的切片图像,这会增加方位处理数据量,对于实时处理是一个巨大的挑战。因此,文中基于检测后的单模糊目标切片图像,提出了一种处理方法来完成动目标的精确定位。仿真实验表明,所提出的处理方法能够有效减少处理数据量,实现动目标的精确定位。

地球同步轨道卫星对低轨卫星的目标引导方法

在实际作战中,地球同步轨道卫星通常是最先发现弹道导弹发射的预警装备,然而,其提供的缺维探测信息,使得传统的引导交接方法难以直接应用于其对低轨卫星的目标引导上。针对此问题,对地球同步轨道卫星对低轨卫星的目标引导方法进行研究。首先,根据弹道导弹在发射及主动段飞行过程中产生红外辐射特性时的飞行高度约束,计算在单颗地球同步轨道卫星引导下,低轨卫星红外传感器的方位和俯仰探测范围。其次,对低轨卫星红外传感器的探测距离进行建模和计算,实现低轨卫星对目标的成功探测。最后,通过模拟仿真实验,验证了该方法的有效性和准确性。

空间多目标掠飞观测接近轨道设计方法

针对当前的天基空间观测任务中存在的观测效率低、燃料不足等问题,基于粒子群算法与空间多目标观测模型提出一种空间多目标掠飞观测的接近轨道设计方法以实现观测器在不变轨道的情况下实现对特定多目标的近距离掠飞观测。结合两轨道卫星的距离计算与天光地影条件建立空间多目标观测模型。利用粒子群算法对观测器轨道六根数优化,得到对特定多目标的综合最近距离观测的最优轨道,以轨道高度差产生的周期差抵消目标与交线处位置的相位差,以消耗时间为代价得到了最省燃料的方式。利用仿真说明了该轨道设计方法的有效性。

考虑轨道机动与侧摆的多星区域观测任务规划

应急对地观测任务时间较短,可动用卫星数量往往较少;当需要观测的对象是区域目标时,如何充分发挥在轨卫星能力,短时间内显著提高覆盖率具有重要意义。针对多星区域观测任务,建立了综合考虑轨道机动与侧摆的规划问题模型;通过解析公式估算机动速度增量范围,离散侧摆角,以精简变量搜索空间;采用近似等面积网格离散区域,进行条带计算与覆盖率评价;采用多目标遗传算法与模拟退火算法结合的两层优化方法进行求解。通过数值仿真对提出的方法进行了测试,结果表明:当初始覆盖率较低时,以小于5 m/s的平均速度增量可提升20%左右的覆盖率;当卫星数量较少时,机动对覆盖率的改善效果随卫星数量增加而不断提升;与已有研究相比,提出的方法对于单个重点区域目标提升效果较好,覆盖率可从28.64%提升到48.21%。

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。

天基ISAR对空间轨道目标高分辨率成像问题分析

对空间轨道目标高分辨率成像是空间态势感知计划的重要组成部分。本文讨论天基逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar,ISAR)对空间目标进行高分辨率成像的概念。基于雷达和空间轨道目标相对运动场景,研究减少天基ISAR回波数据量的方法;分析天基ISAR对空间目标可成像时间段的限制因素,推导天基ISAR与目标轨道高度差及天基ISAR波束扫描角度的噪声等效后向散射系数(noise equivalent sigma zero,NESZ)公式,探讨满足方位分辨率的天基ISAR在轨可成像时间段,并利用NESZ衡量可成像时刻内回波信噪比(signal to noise ratio,SNR),为天基ISAR系统设计提供依据。此外,还推导天基ISAR对空间轨道目标回波表达式,并研究二维图像散焦原因,提出ISAR图像二维相位误差具体补偿模型,通过仿真结果验证了分析的正确性。

空间目标轨道外热流计算及辐射特性研究

本文针对空间目标受到的太阳辐射、地球辐射、地球反照辐射,采用蒙特卡洛(Monte Carlo)法,基于非结构四面体网格编写了仿真程序,并对计算结果进行了对比验证。进一步地,对太阳同步轨道卫星受到的轨道外热流,采用带帆板的网格对有无遮挡情况下各表面受到的轨道外热流进行了分析。结果显示,在对地模式下考虑遮挡后,−Y表面平均热流值降低了53.79 W/m^(2),+Y−Z侧帆板表面平均热流值降低了32.05 W/m^(2)。结合表面材料属性,分析了各表面的温度特性,并结合帆板温度的在轨遥测数据,验证了计算的准确性。最后,计算了两种模式下各方向的红外辐射强度。结果表明,不同观测模式下各表面受热流的影响不同,对地模式下各表面温度随时间变化较大,而对日模式下各表面热流较为稳定。两种模式下,太阳能帆板的温度较高,辐射强度较大,具有明显的红外特征,便于开展红外观测。

基于时序向量相似性的空间目标群匹配技术研究

分析了空间低轨目标群的运行特点,提出了基于时序向量相似性的空间目标群匹配算法,提高了对低轨巨型星座的识别管理能力。首先,介绍了时序向量的降维方法,将目标群高维观测时序向量简化为空间构型序列;而后,提出了基于动态时间规整(Dynamic Time Warping,DTW)的目标群空间构型序列相似性判别算法;最后,利用星链卫星目标群仿真和实测数据对算法的匹配能力进行验证。结果表明该算法可实现空间目标群监测数据快速匹配,仿真数据匹配过程中,在群内目标缺失30%的条件下匹配成功率可达100%,在低缺失条件下(缺失率5%以内)群内目标识别成功率平均超过75%;实测数据匹配成功率可达100%。

国际首颗动目标检测专用卫星的设计与在轨验证

随着卫星技术的快速发展,遥感应用需求由传统的静态观测向动态监测转变。目前支持动目标检测的遥感卫星存在慢速运动目标提取困难、观测范围受限及数据量大不易传输和处理等问题。本文在成像采样模式、数据处理方法、硬件体系结构上提出创新思路:(1)设计了双线阵推扫成像遥感相机,单次成像获取时差可控同谱双条带数据,突破卫星无机动条件下大范围动目标观测难题,形成动态遥感概念中“瞬时变化”信息的获取手段。(2)自主研制配套星上智能处理单元,部署高效数据处理算法,通过高性能硬件加速体系结构设计,形成了动态遥感体系中的即时遥感服务的硬件载体。技术验证样机已经搭载泰景四号01卫星成功发射,使其成为国际首颗动目标检测专用卫星。在轨验证结果表明,该卫星可实现在推扫视场内大范围运动目标检测,对于高铁、车辆和船舶等动目标均有较好的检测效果,并且星上处理单元在时间效率、能耗利用及处理效果方面均满足在轨处理应用需求。相关技术和成果对智能交通、防灾救灾和国家安全等应用领域具有较高的理论价值和现实意义。

空间机动目标双臂协调柔顺操作控制方法

针对被操作目标运动状态变化导致双臂与目标间内力发生突变的问题,提出了一种空间机动目标双臂协调柔顺操作控制方法。首先,针对空间双臂协调柔顺操作任务,分别建立双臂空间机器人开链动力学模型和闭链动力学模型;其次,考虑目标机动产生的扰动,设计阻抗参数自主调整策略,在双臂末端与目标间作用力发生较大变化时,可以保证双臂协调操作任务的平稳性和安全性;最后,搭建双臂协调柔顺操作地面物理试验系统,并开展物理仿真试验验证,试验结果表明了本文所提方法的有效性。

基于双平台协同观测的空间目标精密定轨技术研究

针对单星观测平台在仅测角条件下对空间目标进行定轨的不适定,导致定轨精度较低的问题,为提升定轨精度,设计了一种基于双平台协同观测的空间目标定轨方法。首先,通过将双平台观测视为双目观测系统,并利用三角测量原理实现目标空间位置解算;然后,将解算的目标位置与测角信息联合输入至无迹卡尔曼滤波算法;最后,通过目标状态预测、观测预测、无迹变换和状态更新等步骤实现目标轨道确定。仿真实验结果表明:所提方法能够在18 min内实现目标轨道参数精确反演,目标平均定位误差小于150 m。

空间目标的光度特性及其成像信噪比研究

开展空间目标的光散射与辐射特性的研究,对目标的探测、跟踪与识别、突防等技术具有十分重要的应用价值。本文对空间目标光度特性以及成像信噪比展开了研究。首先,对太阳在大气层外辐射照度进行了计算,推导出空间目标的辐照度计算公式,计算了目标的等效视星等值。然后,研究了J2000.0惯性坐标系中太阳、观测卫星和目标卫星的矢量坐标和各个角度与距离关系,并分析了相对距离、太阳相位角的变化及其对空间目标视星等值的影响。最后,针对CCD相机的系统参数,计算了空间目标CCD成像的信噪比。仿真表明,空间目标的等效星等在不同的观测时刻存在2个星等左右的差别,导致目标成像的信噪比在观测过程中也存在变化。系统地对空间目标的光度特性和进行了研究,为空间目标的探测和识别提供了依据。

空间碎片天基主动清除技术发展现状及趋势

随着国内外航天发射任务逐年增多,大量在轨滞留的失效航天器将成为未来空间资源有效利用所面临的一个严峻挑战。空间碎片天基主动清除技术是从根源上对空间资源化利用与安全处置的措施,将提升和加强近地空间的可持续循环利用。本文明晰了空间碎片天基主动清除的概念,分析了空间碎片天基主动清除技术的发展历程,提出了其发展过程中面临的非合作目标相对导航、协调控制和捕获方式及装置等主要问题,为我国空间碎片天基主动清除技术的发展提出了有益参考。