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。

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。

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。

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%。

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。

图像全站仪观测低轨卫星方法研究

随着巨型星座的发展,低轨卫星数量快速增长,雷达与大型光学望远镜等传统观测手段造价高、体积大,难以满足观测需求。图像全站仪作为传统高精度光学测量设备,具有观测精度和自动化程度高、造价低、机动性强等突出特点,可改造为低轨卫星观测系统。利用图像全站仪观测低轨卫星的重点在于指向信息获取以及观测图像中拖尾星点提取,文中建立了从卫星TLE数据到图像全站仪指向信息的数学模型,分析了卫星成像的拖尾特点,提出了基于轨道预测信息的拖尾星点提取算法。利用图像全站仪搭建低轨卫星观测系统进行观测实验,经计算分析得到内符合精度约为6″,观测精度较高,表明图像全站仪可用于低轨卫星观测,观测误差来源有待进一步研究。

基于相对角动量的空间非合作目标机动仅测角检测方法

针对传统方法在空间非合作目标小脉冲轨道机动检测过程中性能不佳的问题,在构建了一种基于相对角动量的新型待检特征量的基础上,提出了利用无源光学相机仅测角信息的轨道机动检测新方法。首先,在轨道坐标系下建立了基于Clohessy-Wiltshire方程的相对动力学模型和相机偏离质心安装时的相对视线角测量模型;然后,给出了相对角动量的定义并量化分析了以相对角动量作为机动检测特征标志的优越性;接着,设计了基于二次滑窗方差比值的机动检测算法框架;最后,通过数值仿真对所提算法进行了有效性验证和性能分析。仿真结果表明,该方法可以实现对近圆轨道目标的快速轨道机动检测,机动时间点检测误差在60 s以内。

地面多目标快速响应任务轨道设计

针对多目标快速响应对地成像任务,提出了一种J_(2)摄动下4个地面目标重复访问以及5个地面目标单次访问的轨道设计方法。首先在轨道倾角已知的假设下,通过第1个目标点的访问约束解析得到升交点赤经和参数纬度幅角,然后通过第2、3、4个目标点的访问约束数值求解得到近地点角距、偏心率和半长轴。最后,通过增加回归轨道约束或第5个目标点的访问约束,将轨道设计问题转化为只含有倾角的一维非线性方程,通过一维数值搜索进行求解。仿真结果表明,通过所提方法设计轨道的星下点轨迹能够精确经过指定的多个地面目标,验证了方法的有效性和正确性。

基于轨道理论的空间目标监视雷达状态实时核验方法

为实现空间目标监视雷达状态的实时监测,提出了一种基于轨道理论的空间目标监视雷达状态实时核验方法.首先基于轨道理论实时计算空间目标每一跟踪弧段的量测值与理论计算值之间的偏差,根据偏差从数据级判断雷达工作状态以及数据质量;然后准实时利用精密星历和雷达量测定量分析雷达跟踪精度.实验分析表明,该方法通过实时和准实时结合,可有效提升数据整合和开发利用能力,为空间作战任务的决策提供数据支持的能力.

空间目标地基观测红外辐射特性研究

构建空间目标辐射特性对于发展空间态势感知技术具有重要意义。本文针对空间目标红外辐射特性,基于有限元方法,采用非结构四面体网格研制了仿真程序,通过矢量坐标变换,计算得到了目标各表面受到的轨道外热流,并结合表面材料和双向反射分布函数(BRDF)对目标各表面温度和红外辐射特性进行了仿真,并与文献结果进行了对比。进而考虑大气衰减和背景辐射的影响,对地基探测条件下升轨和降轨弧段的目标光谱辐射强度进行了分析。结果显示:对于三轴稳定太阳同步轨道沿飞行方向固定式帆板卫星,各表面在阳照区和地影区内温度变化范围较小;使用8~14μm长波波段对目标进行观测的效果比3~5μm中波波段好;辐射强度最大值在770 W/sr左右;地基红外光谱探测受大气影响较大,需要对探测波段进行优选。

空间目标的雷达识别技术

空间雷达目标识别在航天技术和战略预警中具有广阔的应用前景 ,它也是目前雷达目标识别技术应用较为成功的领域。总结了目前国内外该领域已有的研究成果 ,结合空间目标的动力学特性和电磁散射特性 ,探讨了在窄带和宽带雷达信号体制下的各种空间目标识别方法 ,并展望了该领域的技术发展趋势。

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。

基于轨道约束的空间目标球面网格索引及区域查询应用

针对海量、高速运动的空间目标检索查询效率低的问题,提出一种基于轨道约束的空间目标球面网格索引构建方法。该方法利用地球惯性系下空间目标轨道相对稳定的特性,通过维护球面剖分网格内途经的空间目标列表,实现了对高速运动目标的稳定索引。在此基础上,提出基于目标球面网格索引的区域查询应用方案,首先,依据一定步长离散查询时段;然后,计算查询区域在惯性空间的边界点坐标并确定交叉网格;其次,提取网格中的空间目标,计算并判断目标与区域的位置关系;最后,递归查询整个时段,实现空间目标过境查询分析。仿真实验中,传统逐目标查询方法耗时与目标数量线性正相关而与区域大小无关,单目标平均耗时0.09 ms;与之相比,所提方法用时随区域面积减小呈线性递减,区域格网数小于2 750时,时间效率高于对比方法,且能够维持相当的准确率。实验结果表明,该方法在实际区域应用中可以有效提升查询的效率。

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。

卫星轨道计算方法及精度分析

通过分析空间目标受力情况,建立了一套卫星轨道计算动力学模型。该模型考虑了地球非球形引起的引力、大气阻力、月球引力和太阳引力等摄动因素,可以较准确地模拟卫星实际运动。通过STK工具包的J2,J4和高精度轨道预测模型(HPOP)3个轨道预测模型,结合两行轨道数据(TLE)对该模型进行了验证。验证结果表明,该模型计算结果与真实结果相差很小,满足空间目标轨道预报精度要求。

仅天基测角跟踪的轨道机动WFMHT检测方法

面向空间态势感知对空间目标轨道机动的实时或准实时检测需求,研究了仅利用天基测角的空间目标轨道机动检测方法。首先,研究并建立了基于天基测角的空间目标运动状态实时估计模型,分析了运动状态估计中轨道机动对应的测角新息变化特性。其次,基于随机序列的分布特性假设检验方法,提出了一种对测角新息进行多假设检验加权融合(WFMHT)的轨道机动检测方法,同时研究了权系数的确定准则和方法。最后,采用数值仿真验证了论文方法的有效性。研究结果表明,基于测角新息的轨道机动WFMHT检测方法相对于常见χ2方法,检测成功率最大可以提高36%,尤其是大大缩短了检测窗口长度,同时增加了检测结构的鲁棒性,可为我国空间态势感知体系建设提供有益借鉴。

空间目标的雷达定轨实时识别问题研究

反导预警雷达在弹道导弹探测模式下可观测到许多低轨卫星,由于作战使命的定位,这些观测数据被直接丢弃,导致其作战效能没有被充分发挥。为进一步挖掘反导预警雷达在日常值班状态下的空间目标监视潜能,本文针对反导预警雷达的工作特点,首先阐述了基于轨道根数的空间目标识别的基本数学原理,其中包括坐标转换、轨道确定和轨道匹配等核心处理步骤;其次描述了算法的程序设计思路,并依此研制了空间目标实时识别软件。仿真和实测数据验证了本文空间目标识别算法的有效性,所研制的空间目标实时识别软件可以辅助雷达操作员进行空间目标识别工作。

合作空间目标双基地ISAR图像畸变分析及校正方法

为了解决双基地逆合成孔径雷达(ISAR)二维图像的畸变问题,以平稳运动的合作空间目标为研究对象,从双基地ISAR回波模型出发,研究了图像的畸变机理并提出了基于畸变角估计的图像畸变校正方法。基于合作空间目标的精轨信息,算法首先估计出成像期间的双基地角,其次利用图像畸变角与双基地角的关系对畸变角进行估计,然后利用畸变角计算横向畸变单元数,最后对二维图像进行反向畸变补偿,完成畸变校正。仿真实验验证了算法的有效性。

空间目标的雷达定轨坐标转换问题

为了弥补空间目标轨道确定中雷达观测数据处理定轨软件研究的不足,提出1种雷达技战指标的快速实现方法:通过阐述雷达监视系统中雷达定轨坐标转换的数学原理,研发1套开源的雷达定轨函数库,重点给出程序设计思路,并详解函数调用接口。实验结果验证了算法的有效性,表明该定轨函数库可以辅助科研人员进行雷达系统设计。

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。