On all-propulsion design of integrated orbit and attitude control for inner-formation gravity field measurement satellite

The inner-formation gravity field measurement satellite （IFS） is a novel pure gravitational orbiter. It aims to measure the Earth＇s gravity field with unprecedented accuracy and spatial resolution by means of precise orbit determination （POD） and relative state measurement. One of the key factors determining the measurement level is the outer-satellite control used for keeping the inner-satellite flying in a pure gravitational orbit stably. In this paper the integrated orbit and attitude control of IFS during steady-state phase was investigated using only thrusters. A six degree-of-freedom translational and rotational dynamics model was constructed considering nonlinearity resulted from quaternion expression and coupling induced by community thrusters. A feasible quadratic optimization model was established for the integrated orbit and attitude control using con- strained nonlinear model predictive control （CNMPC） techniques. Simulation experiment demonstrated that the presented CNMPC aigorithm can achieve rapid calculation and overcome the non-convexity of partial constraints. The thruster layout is rational with low thrust consumption, and the mission requirements of IFS are fully satisfied.

Determination of the controlled landing trajectory of Chang’E-1 satellite and the coordinate analysis of the landing point on the Moon

Based on the tracking observations of radio ranges and VLBI delays of Chang’E-1 (CE-1) satellite during the controlled landing on the Moon on March 1, 2009, the landing trajectory and the coordinates of the landing point are determined by positioning analysis. It is shown that the landing epoch (the emission epoch of the last signal) of CE-1 satellite on the Moon was at UTC8h13m6.51s. The lunar longitude, latitude and surface height of the landing point in the lunar primary axes frame are respectively 52.2732°, 1.6440° and –3.56 km (the reference lunar radius is 1738 km). The uncertainties are 0.0040°, 0.0168° and 0.18 km. The corresponding uncertainty in the tangential direction of the lunar surface is 0.52 km and the three-dimensional (3D) positioning uncertainty is 0.55 km. It is accordingly deduced that even with the present technical specifications of the radio ranges and VLBI delays, the 1 km 3D positioning precision could be guaranteed for the lander in the second stage of China’s Lunar Explora- tion Project. Concerning the trace determination of the rover on the lunar surface, because only telemetry signal will be emitted, VLBI would be the sole tracking technique from the Earth. The application of the constraint of geocentric distance is shown to be helpful to improving the positioning precision. It is worthy to pay close attention to the applications of the same beam VLBI technique, the lunar topographic model and the on-board observations of the lander and rover to the position/trace determination of the rover.

基于CORS系统的基础控制测量示范应用

文章基于CORS系统的应用特点,对网络CORS系统建设、结构组成的理论分析,提出了其在控制测量方面的技术设想,并通过实践和示范应用,最后形成了网络CORS平台应用于控制测量的具体方法,总结了其区别于传统的控制测量新特色。

A composite disturbance observer and H_∞ control scheme for flexible spacecraft with measurement delay and input delay

In this paper, the attitude control algorithm of flexible spacecraft with unknown measurement delay and input delay based on disturbance observer is designed. The influence of measurement delay and input delay on the attitude control system and disturbance observer is analyzed. The disturbance estimation error equation is transformed into a differential system with a pure delay. Then, the observer gain is chosen based on the 3/2 stability theorem to ensure the stability and disturbance attenuation performance of the pure delay system. Next, the controller gain is designed based on the Linear Matrix Inequality(LMI) approach to guarantee the stability of the composite system and achieve H_∞ performance with two additive delays. The simulation results show that the proposed method can improve the anti-disturbance ability of the attitude control system.

Time synchronization and carrier frequency control of CAPS navigation signals generated on the ground

The Chinese Area Positioning System (CAPS) works without atomic clocks on the satellite, and the CAPS navigation signals transmitted on the ground may achieve the same effect as that with high-performance atomic clocks on the satellite. The primary means of achieving that effect is through the time synchronization and carrier frequency control of the CAPS navigation signals generated on the ground. In this paper the synchronization requirements of different time signals are analyzed by the formation of navigation signals, and the theories and methods of the time synchronization of the CAPS navigation signals generated on the ground are also introduced. According to the conditions of the high-precision satellite velocitymeasurement signal source, the carrier frequency and its chains of the navigation signals are constructed. CAPS velocity measurement is realized by the expected deviation of real time control to the carrier frequency, and the precision degree of this method is also analyzed. The experimental results show that the time synchronization precision of CAPS generating signals is about 0.3 ns and the precision of the velocity measurement signal source is about 4 cm/s. This proves that the theories and methods of the generating time synchronization and carrier frequency control are workable.

CORS网络RTK技术在控制测量中的应用

所谓CORS网络,就是将卫星定位、网络技术、通信技术等高新科技结合起来,解决长距离的厘米级实时定位问题。如今计算机技术、网络技术、定位技术等不断成熟,在一定区域内可以对目标实施厘米级定位,这些科技的进步促进了CORS的出现,而在控制测量工作中也开始运用CORS网络。RTK是其中的一种重要技术方法,是GPS技术中的一种,运用在控制测量中对实际工作起到重要的辅助作用。通过了解这种技术的运用要求以及工作流程,结合黎城县1∶1 000地形图测绘项目对此技术应用进行了深入探讨。

基于可重构分布式控温的高稳定度热控系统研究

随着光学遥感卫星分辨率的不断提高,光学系统的口径和焦距越来越大,空间光学系统对大面积、高稳定度温度控制的需求越来越突出,而集中控温模式存在热控引线多且走线困难、测温稳定性差等不足,难以满足光学系统大面积高稳定度的控温需求.提出了一种主控加远端的分布式控温系统构架和基于差分比例电阻的高稳定度测温方法,研制了基于分布式的可重构控温系统样机.试验结果表明:系统具有较强的拓展性和自主重构能力,大大提高了热控系统的适应能力,测温稳定性优于±3mK/3h.

光轴位置测量数据辅助立体影像无控定位技术

在卫星摄影测量中,相机参数经过在轨标定后,仍有随时间变化的低频误差,在无地面控制点情况下,这类低频误差影响卫星影像的定位精度。基于光学自准直原理的光轴位置测量设备可以在轨实时监测相机参数的变化情况,对于全球实时或准实时影像处理,可以使用该测量数据削弱低频误差对立体影像定位精度的影响。本文基于光轴位置测量设备的工作原理,建立了光轴位置测量数据辅助立体影像定位的模型和算法,并利用高分十四号卫星数据进行了试验验证。试验结果表明,利用光轴位置测量数据辅助立体影像定位,无须频繁地进行相机参数在轨标定,也无须地面控制点支持,即可实现卫星影像高精度定位,且全球范围内影像无地面控制点定位精度基本一致,平面精度约为1.87 m,高程精度约为0.73 m。

可重构智能超表面在卫星导航系统中的应用展望

高中低轨复杂大型星座是下一代全球卫星导航系统(GNSS)的发展方向,尤其是低轨卫星的大量部署,对卫星段和地面段的波束扫描天线在成本、重量及功耗等方面提出了更高要求,传统的电扫相控阵天线和机械扫描天线均无法较好地满足需求。近些年,可重构智能超表面(RIS)因其可低成本、低功耗地控制波束传播方向而被极大关注,并在下一代移动通信中被视为能够提升网络容量和覆盖范围的主要关键技术之一,利用RIS来解决卫星导航系统中的天线问题具有较大的潜力,但同时也面临诸多挑战。基于下一代卫星导航系统的发展需求,本文简要介绍了RIS的基本原理及目前的发展现状,重点分析了RIS在卫星导航系统中的应用前景,并提出了需要解决的核心关键技术。

附加速度与基线长约束的海上基线网平差

为削弱全球卫星导航系统(GNSS)测量误差对海底控制点测量的影响,对GNSS基线解算后的数据进行后处理,并根据海上作业环境提出一种基于速度和基线长等先验信息的约束卡尔曼滤波(KF)方法:充分利用海上多天线的观测模式,将接收机间的速度与距离关系作为约束引入到模型当中,以提高状态估计的精度;然后对GNSS差分定位中基线解算之后的数据进行网平差;最后与最小二乘法和传统卡尔曼滤波进行比较。实验结果证明,与前2种方法相比,提出方法的观测噪声平滑能力更为突出,所选3条基线的基线长偏差的标准差和均方根较RTKLIB软件动态基线解算后的数据分别下降了27%、48%和67%以上;由于水声换能器的三维坐标由GNSS天线坐标转化而来,所以网平差后的GNSS坐标能够提供更加精确的水声换能器坐标,进而提高海底控制点的量测精度。

面向服务的混合架构测运控一体化云中心设计

针对构建快速、灵活、弹性和高效的地面中心系统以及提升互联网海量用户前提下的系统响应时效性和精准性的挑战,提出了面向服务的混合架构测运控一体化云中心设计思想。首先,通过构建云平台、分布式面向服务软件架构,提升中心的弹性并行任务执行能力;然后,通过采用“中心化”和“去中心化”软件交互模式,提升中心统一资源调度与管理能力以及系统的易集成和易扩展程度;最后,通过构建面向服务架构的软件系统,提升中心海量用户的服务实时响应能力。

宽范围微牛顿量级场致发射电推力器设计

针对空间引力波探测任务卫星无拖曳控制对微牛顿量级场发射电推力器的宽、稳、准、快、久指标要求,需突破宽范围可调与分辨率和推力噪声之间的相互限制,从场发射推力产生的原理出发,并利用高精度单摆对模型精度进行标定,建立了基于流量、电压主动调节策略的推力调控模型,结合调控分辨率与响应速度的需求,提出的反馈控制策略使推力器在更宽推力范围内维持低推力噪声水平。最后对研制的推力器样机开展了性能表征,实现了0.86~83.54μN、<0.1μN的推力分辨率、在毫赫兹频段<0.1μN/Hz^(1/2)的推力噪声和定工质流量下<10 ms的推力响应时间。

Design and experiments of an active isolator for satellite micro-vibration

In this paper, a soft active isolator（SAI） derived from a voice coil motor is studied to determine its abilities as a micro-vibration isolation device for sensitive satellite payloads. Firstly,the two most important parts of the SAI, the mechanical unit and the low-noise driver, are designed and manufactured. Then, a rigid-flexible coupling dynamic model of the SAI is built, and a dynamic analysis is conducted. Furthermore, a controller with a sky-hook damper is designed. Finally,results from the performance tests of the mechanical/electronic parts and the isolation experiments are presented. The SAI attenuations are found to be more than 20 d B above 5 Hz, and the control effect is stable.

基于商业卫星批量运输的包装箱测控系统设计

目的设计一种适应单次多星多箱批量运输模式的新型包装箱测控系统。方法通过改进组网形式、升级监控模式、优化测控软件,实现适应公路、铁路、海运、空运等多种运输方式批量运输的包装箱测控系统。结果经功能试验、环境试验、全程模拟试验验证,实现了多台设备同时监控、全过程运输数据不间断采集、快速生成监控数据报告功能,满足使用要求。结论新型包装箱测控系统能够提供多用户同时在线、多设备统一管理、远程移动端监测等服务,可靠保障卫星由研制基地至发射基地的批量转场运输。

基于移动互联的航天类实践教学研究

当前,国内航天类高校实践教学存在两个问题,一是卫星过境窗口短暂,对教学时间形成限制;二是卫星管控机房、地面测控站等教学场所管理严苛,对教学空间构成制约。针对此问题,该文开展基于移动互联的航天类实践教学研究,通过构建“云+网+端”的航天实践教学平台,开发卫星管理教学手机应用软件,学生可随时随地通过手机接入互联网云服务器,获取、观察卫星状态数据,并填报实践作业。基于移动互联的航天类实践教学能够突破时间和空间双重束缚,有效利用“碎片”时间和“任意”地点开展实践教学,形成一种科学有效的“泛在学习”实践教学新样式。

降雨环境下星地双向受控量子隐形传态方法研究

为解决降雨环境下星地双向受控量子隐形传态质量下降的问题。首先提出一种基于十粒子纠缠态的星地双向受控量子隐形传态方案,其中通信方Alice和Bob在位于卫星的控制方Charlie允许的情况下可以同时双向传输任意二粒子量子态。进一步地,为研究降雨环境对该隐形传态方案性能的影响,以幅值阻尼噪声信道为例,分析了星地双向受控量子隐形传态的保真度及其影响因素。最后,为克服降雨环境的影响,利用弱测量和反转测量保护量子纠缠。理论分析与仿真结果表明,弱测量和反转测量操作可以有效提高星地隐形传态的保真度,因此,本方法对于提升降雨环境下的星地受控隐形传态质量具有一定的参考价值。

多卫星测控系统的设计与实现

随着我国卫星制造和发射技术的不断成熟,卫星数量快速增加,传统的单星测控系统已逐渐无法满足当前的国内需求。为解决测控系统资源紧张的问题,提出了多卫星测控系统设计方案,在满足传统测控系统任务的基础上,进一步提高了测控资源利用率。设计方案以CPU为主控制器,实现多卫星测控数据的协议处理,同时通过管理、控制调度FPGA完成测控数据的安全传输,搭建多卫星测控系统硬件平台并进行系统测试。通过对多卫星测控系统硬件平台的测试,验证了多卫星测控系统的安全性和可靠性。

基于自动化技术的航天器地面测控系统设计与优化研究

基于自动化技术对航天器地面测控系统的设计与优化进行研究,分析传统地面测控系统存在的问题,如手动操作复杂、响应速度慢、数据传输不稳定等,提出基于自动化技术的地面测控系统设计方案,该方案包括自动化任务调度、自动化数据处理和自动化故障处理。通过引入自动化技术,实现了任务调度的智能化、数据处理的高效化和故障处理的实时化。通过仿真实验,验证了该设计方案的有效性和可行性。结果显示,基于自动化技术的航天器地面测控系统能够提高任务执行效率、减少人为操作错误、提高数据传输可靠性,为航天任务的成功执行提供可靠支持。

电推进技术的应用与发展趋势

扼要介绍了电推进技术的发展历史,概述了不同形式(电热、电磁和静电三大类)电推力器的特点及应用情况,指出了为满足不同空间任务电推进的发展趋势;并根据我国的研究状况、存在的问题和差距,提出了加快发展我国电推进技术的意见。

航天重大工程中的力学问题

近年来,我国航天重大工程蓬勃发展,航天工程中新的力学问题不断涌现,开展航天工程力学问题研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用.随着航天器朝着超高速、深空探测、多功能方向的发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣,发射过程中的多场耦合、非线性等问题更加突出.大阵面、大挠性的航天器对在轨结构展开、模态辨识、刚柔耦合控制提出新的要求,而高精度、高分辨率的观测需求,为航天器在轨微振动、热致振动的研究带来了新的课题.同时,这一系列的问题也对航天器的地面试验和仿真分析等提出了更高的要求,在这些领域,各国学者也积累了一定的成果.本文概括介绍了近年来航天重大工程中出现的新的力学问题,从航天器的发射、在轨运行、地面仿真和试验等方面对航天工程中的力学问题进行了综述.内容主要集中在耦合动力学、空气动力学、多体动力学、结构动力学以及试验力学等方面,同时提出了工程中力学方面所面临的问题以及下一步的发展方向.