超低轨卫星的空间环境特性及其力学与热学关键问题研究进展

超低轨道飞行器在遥感、科学研究等领域具有广泛的应用需求,已成为研究热点之一。由于超低轨的特殊空间环境限制,超低轨道飞行器需要面临和解决很多技术难点,主要集中在大气环境预测、气动力、气动热等方面。本文针对典型超低轨飞行器任务,研究了主要的大气模型及反演方法,并对模型数据进行了比对。结合多种气动被动稳定的案例,阐述了气动力计算的方法及气动结构设计的重要影响。介绍了气动设计及在气动干扰下的稳定控制方法,阐述了超低轨卫星的气动热环境、仿真算法以及多种防热复合材料及其应用场景。详细分析了针对超低轨卫星的防热散热可变切换技术,并简要评述了各个方案的优缺点。研究结果有助于推动超低轨道卫星关键技术攻关和试验验证,将超低轨飞行器从试验任务尽快转向空间应用任务。

超低轨航天器气动设计与计算方法探讨

对于运行在150~300km高度的超低轨航天器,气动力是轨道与姿态控制须考虑的主要扰动因素。文章首先剖析了超低轨航天器气动构型的关键要素,提出了本体截面与长细比、翼面形状与布局的设计准则;从来流特性、气体-表面作用、航天器物理特性3个方面阐述气动建模的内容与方法;综合运用射线跟踪平板（RTP）与试验粒子蒙特卡洛（TPMC）2种自由分子流模拟方法,提出一种适合工程应用的气动计算与飞行仿真流程。最后,以重力梯度测量卫星为实例,开展了初步的方案设计、模型确认与方法探索,验证了气动建模与计算流程的正确性。文章所提出的气动研究思路,对超低轨航天器的气动设计、计算等工作,均具有一定的参考意义。

基于经验加速度的低轨卫星轨道预报新方法

研究将定轨过程中的经验加速度应用于地球低轨卫星轨道预报的新方法.利用GPS伪距观测数据和简化动力学最小二乘批处理方法对地球低轨卫星定轨,其中卫星位置、速度及大气阻力系数和辐射光压系数可以直接用于轨道预报.作为简化动力学最重要特征的经验加速度呈现准周期、余弦曲线特点,可通过傅里叶级数拟合建模.确定性动力学模型与补偿大气阻力模型误差的切向经验加速度级数拟合模型组成增强型动力学模型用于提高轨道预报精度.应用GRACR-A星载GPS伪距观测数据和IGS超快星历定轨并进行轨道预报,结果表明轨道预报初值位置精度达到0.2 m,速度精度达到1×10^(-4)m·s^(-1),预报3天位置精度优于60 m,比只利用确定性动力学模型进行预报精度平均提高2.3倍.先定轨后预报的模式可用在星上自主精确导航系统中.

面向广域海洋覆盖的密集低轨卫星星座

针对广域海洋和陆地复杂、异构的通信环境,为了同时满足海洋和陆地区域用户的数据传输容量和网络覆盖需求,对密集低轨卫星网络进行了研究。利用随机几何和概率论、排队论的方法,对不同数据流量下密集低轨卫星网络提供的平均回程容量进行了分析。提出了海陆密集低轨卫星星座部署方案,在考虑海洋和陆地差异化的传输覆盖需求和卫星移动性的基础上,最小化了星座部署所需要的卫星数量。对网络覆盖需求、数据流量、地面站分布密度、地面站最小仰角、卫星轨道数量带来的星座设计上的影响进行了仿真,给出了最优的地面站仰角和卫星轨道部署方案。