空间科学实验数据可视化分析系统技术研究

为提升空间科学实验数据的分析效率与利用水平,设计以数据可视化为切入点,支持多领域、长周期空间科学实验数据交互分析的系统架构,对系统关键技术进行研究。设计分析算法动态扩展和服务映射流程,支持数据分析算法的扩展与更新,建立算法的快速处理模式和复杂分析模式,兼容与支持不同类型分析算法的处理流程。通过多可视化组件之间的数据联动,直观且同步呈现相关联数据之间的相关性。采用可视化视图交互调整和布局,支持不同数据、不同显示屏幕的个性可视化需求。系统应用表明:系统已集成了十余种空间科学实验数据分析算法,实现了多领域空间科学实验数据的可视化分析。

基于液态金属的锁紧/解锁装置在空间展开机构中的应用

针对空间可展开机构中使用爆炸螺栓有明显冲击振动缺点的问题,基于液态金属合金材料熔点较低、合金成分可调、材料性质可设计的特性,提出了将液态金属应用于空间可展开机构的锁紧/解锁装置设计中。初步设计了一种锁紧/解锁机构,对设计的机构进行了仿真失效分析,指出该机构在低于2300 N承载力下有着较好的锁紧能力;设计了拉伸承力试验,得到可承受的拉伸应力会大于19.2 MPa的结论,且设计了对锁紧/解锁装置的加热试验,该试验证明机构可顺利解锁。由此初步得出了液态金属可以在空间可展开机构上得到应用的结论,为液态金属在进一步的实际工程应用中提供参考。

正十八烷/泡沫相变复合材料蓄热实验研究

通过实验对相变复合材料的相变过程进行研究,将相变材料正十八烷(C18)分别填充到泡沫铜和泡沫碳中来提高相变材料的导热性能,采用差示扫描量热法(DSC)分析了正十八烷相变材料的热物性。利用相变蓄热装置对三种不同材料(C18、C18/泡沫碳、C18/泡沫铜)进行蓄放热对比实验,记录温度测试数据,分析这三种不同材料的温控性能与蓄热能力,并与正十八烷的结果对比。结果表明:泡沫材料的填充大幅提高相变材料的温控性能,使蓄热装置温度分布更均匀。

空间机器人神经网络自适应滑模目标操控轨迹跟踪控制

针对参数未知的空间目标操控问题,考虑空间机器人负载不确定性、系统动力学不确定性和环境扰动等因素,为实现操作过程的稳定控制及机器人轨迹的有效跟踪,提出一种基于径向基神经网络估计不确定项的自适应增益非奇异终端滑模变结构控制器。首先基于拉格朗日法建立空间机器人的刚体动力学模型。考虑空间机器人基座姿态主动控制模式,使用径向基神经网络对模型中的不确定项进行估计。进而提出基于神经网络估计的非奇异终端滑模控制器,并针对不确定性和扰动的估计误差设计自适应增益,以期实现空间机器人系统轨迹跟踪控制的收敛。仿真校验结果表明所设计的控制方法具有较好的误差收敛速度和控制精度。

空间站斯特林制冷机用磁阻尼吸振器开发

对空间站低温存储装置用斯特林制冷机振动输出进行了测试,采用理论分析和数值仿真的方法开展了磁阻尼吸振器设计和开发,开发了一种空间站斯特林制冷机用磁阻尼吸振器,并进行试验测试,测试结果表明:制冷机在无吸振器输入功率100 W时,轴向输出力随时间呈正弦波趋势,最大达到482.78 N;安装磁阻尼吸振器后,制冷机基频振动从265 mg降低到14.25 mg,基频吸振效率0.054,时域振动从802.95 mg降低到98.51 mg,时域吸振效率0.123;输入功率200 W时吸振器将制冷机的基频振动从370.7 mg降低到73.92 mg,基频吸振效率0.199;时域振动从1240.5 mg降低到220.6 mg,时域吸振效率0.177;磁阻尼吸振器大幅降低了制冷机振动输出,吸振效率优于传统被动减振器,制冷机振动输出满足空间站低温存储装置技术指标要求。2022年7月24日,磁阻尼吸振器随问天实验舱成功发射,并在中国空间站长期运行,支持空间站各项科学实验研究。

基于深度特征融合的空间植物图像分割算法

空间植物培养实验作为空间科学的一项重要研究,通常会获得大量的植物序列图像,传统的处理方法多采用人工观察,以供后续的进一步分析。本文提出一种基于多尺度深度特征融合的空间植物分割算法。该方法应用全卷积深度神经网络来提取多尺度特征,并分层次地融合由深层到浅层的特征,以达到对植物进行像素级的识别。分层次的特征融合了语义信息、中间层信息和几何特征,提高了分割的准确性。实验表明该方法在分割准确性方面表现良好,能够自动提取空间植物实验中的有效信息。

地月空间星地双向单程测量高精度模型

针对使用星地双向单程测量技术实现给定场景下的地月空间高精度测量问题,建立了地月空间纳秒级星地时差解算模型与米级瞬时距离解算模型,定量分析了模型中各因素的量级,并对模型中收发时延、引力时延、定轨误差和大气延迟等多种因素引入的时差和距离估算误差进行了定量分析。仿真数据的处理结果校验了误差量级理论分析的准确性,时差估算的均方根误差优于7.6ns,瞬时距离估算均方根误差优于2.4 m。建立的模型可以对地月空间星地DOWR测量数据进行高精度处理,实现地月空间高精度时间比对,支持未来中国载人登月等任务及地月空间高精度导航技术。

面向地外行星探测的脉冲中子元素分析仪

以模拟月球的地层为研究对象,设计了一种小型化的高产额中子管,开展了集成化中子-伽玛谱仪研究,建立了元素分析谱库和解谱方法,通过搭建已知元素含量的模拟井和地面测试验证平台,实现了对模拟月球次表层常量元素、稀有元素等元素的定量分析。中子发生器的产额在107~108个/s之间(分别对应脉冲和直流模式),探测时间在分钟量级,可达到5%的精度。该研究工作实现了对行星探测任务的中子-伽玛谱仪轻小型化关键技术的重要突破,提高了探测速度,为在未来深空探测任务中的载荷应用工程化奠定基础。

天宫一号高光谱遥感场景分类数据集及应用

天宫一号高光谱成像仪具有空间分辨率高、光谱分辨率高、图谱合一等特性,在中国航天高光谱领域具有里程碑的意义。针对一般遥感场景分类数据集尺度单一、光谱分辨率较低等问题,本文提出基于天宫一号的多谱段、高空间分辨率、多时相高光谱遥感场景分类数据集(TG1HRSSC)。利用天宫一号高光谱成像仪获取的高质量数据,经过辐射校正、几何校正、空间裁剪、波段筛选、数据质量分析与控制等,制作了一批通用的航天高光谱遥感场景分类数据集,通过载人航天空间应用数据推广服务平台(http://www.msadc.cn[2019-09-10])进行分发和共享。该数据集包括天宫一号高光谱成像仪获取的城镇、农田、林地、养殖塘、荒漠、湖泊、河流、港口、机场等9个典型地物场景的204个高光谱影像数据,其中5 m分辨率全色谱段1个波段、10 m分辨率可见近红外谱段54个有效波段以及20 m分辨率短波红外谱段52个有效波段。研究利用AlexNet、VGG-VD-16、GoogLeNet等深度学习算法网络对构建的数据集进行场景分类的试验,结果表明该数据集的场景分类应用实现较好效果。由于该数据集具备高分辨、高光谱等特征优势,未来在语义理解、多目标检测等方面有着广泛的应用价值。

基于天宫二号多光谱数据的青藏高原冻湖自动提取

高原湖泊在反映全球气候变化背景下区域自然环境变迁方面具有重要意义。以新型国产遥感数据源天宫二号多光谱数据为基础采用面向对象方法,结合水体指数和高程信息,提出一种面向冻湖的自动提取算法。该算法充分考虑了不同形态的水体特性,可以同时提取结冰和未结冰的湖泊,并能够排除冰川、河流的影响。针对选定的7个典型区域,采用自动提取算法进行湖泊提取试验,并进行精度验证。湖泊提取整体精度达99.10%,F-score为0.982。结果表明:天宫二号多光谱数据在高原湖泊提取方面具有较强应用潜力,该数据作为一种有效的数据源,可推广用于青藏高原地区湖泊提取与变化研究,为研究区域气候变化提供数据支持。

天宫二号紫外前向光谱仪大气临边高度计算

天宫二号紫外前向光谱仪是一种对全球中层大气进行大气痕量气体垂直分布探测的新型光谱仪,在对大气痕量气体进行反演中,需要高精度地计算观测大气的高度参数等几何位置参数。本文针对该光谱仪的几何成像特点,设计并提出了一种高精度的大气高度的计算方法。首先,计算传感器坐标系下的观测矢量;其次,利用平台的轨道参数、姿态及成像时间等成像几何参数,推导出传感器坐标系到地心固定坐标系的转换矩阵,同时将观测矢量转换到地心固定坐标系下;再次,以标准地球椭球体为基准,建立经过临边切点的虚拟椭球体模型,并计算切点的地理坐标;最后,依据切点坐标推导出切点的临边高度。与理论值对比分析,在相同地球临边高度对应的散射光谱幅亮度分布保持一致,并且与美国OMPS载荷反演的O3结果进行定位误差分析,高度误差小于1pixel,在2km范围内,从而验证了本文所提算法的可行性和正确性。

NVMe高速存储的FPGA实现

针对当前SATA接口数据传输低延迟和读写性能的不足,结合空间应用对主控系统的需求,进行了高速接口设计,本文提出了一种NVMe高速存储的FPGA实现方案.基于Xilinx公司的ZC706评估板,参考NVMe协议1.3a,运用VHDL硬件描述语言,采用模块化设计理念,完成NVMe主控IP核的设计.经仿真验证表明,该主控IP核能正确完成读、写、设备复位、识别等操作,可应用于嵌入式存储系统.

基于地月自由返回轨道的DRO入轨策略

大幅值逆行轨道(DRO)是地月空间中的一类周期轨道,这类轨道具有长期稳定、入轨能量低的特点,可作为未来载人月球以及载人火星任务的中转站。面向载人任务的DRO入轨问题应重点考虑任务安全性,并综合考虑飞行时间和脉冲消耗。基于地月自由返回轨道设计了两脉冲直接转移和四脉冲月球借力转移轨道。首先在圆型限制性三体模型下计算了4类自由返回轨道的解族,其次采用地心顺行月心逆行自由返回轨道,获得直接入轨和月球借力2种方式进入不同周期DRO所需的飞行时间和脉冲消耗。仿真表明:对于共振比2:1的DRO轨道,直接入轨方式所需的速度脉冲约为607 m/s,飞行时间约为6.17 d,飞行器在DRO入轨脉冲失效的情况下也可无动力返回地球。四脉冲月球借力方式所需的速度脉冲约为241 m/s,飞行时间约为14.53 d。

基于热电效应的高效环控系统

部分空间科学实验对环境温度有较高的要求,环境温度高于或低于空间科学系统能够提供的热沉温度,需要有可靠有效的加温降温处理措施。使用可靠性强的热电制冷片作为制冷制热方式和气液换热器二次换热来实现环境温度控制的需求,并对不同流体温度制冷制热效果进行分析,结果表明流体温度和目标温度差越小,热电制冷制热的效果越好。在环境温度制冷工况中,热电单元数量随电流增加先减少后增加,在制热工况中则单调递减,设计中需按照制冷工况进行热电单元数量的确定。当流体温度接近制冷制热的目标温度时,会出现整个系统总效率优于热电系统效率的区间。通过对热电单元和气液换热器的组合系统的性能计算,提供一种适于热电环控系统的计算方法和部件选型思路,对空间站环控系统的设计有重要参考意义。

月球立方星姿态控制系统的初步设计与测试

立方星是一种模块化的微小卫星,在科学探测与专业人才培养等方面具有重要意义。针对目前立方星任务逐渐从近地轨道向深空扩展的发展趋势,以立方星月球深空任务为背景,利用商业器件设计并实现了初步的立方星姿态控制系统,以及姿态控制系统所必需的结构、电源、计算机等立方星子系统,同时给出了姿态测试平台的设计方案及其硬件实现。在所搭建硬件平台上,通过测量飞轮控制器的阻尼系数,对控制模型进行参数辨识与标定,获得了与数值仿真一致的实物测试结果。针对姿态控制系统设计了PD控制律,并在控制实验中实现了至任意姿态角的机动控制。

平面微重力模拟气浮系统的侧向力测量与处理

利用测力法可直接测量平面气浮系统的侧向力,该方法通过在系统周向布设加载了预紧力的横向张力计,根据浮起前后张力计的变化量可获得气浮系统侧向力及其绕中心转矩;为进一步估计搭接位置的摩擦力,对摩擦系数和侧向力进行联合估计,为解决最小二乘算法的矩阵亏秩,将求解状态问题转化为带约束的最小值问题。测试实例结果表明,在一定的预紧力范围内,当静摩擦力不改变测试的运动趋势时,静摩擦有无参与联合状态估计对侧向力的特性估计结果影响有限。

基于激光干涉的微重力加速度测量方法

为了研究环境的微重力水平及其对科学实验的影响,通常使用石英挠性或静电悬浮等力平衡式加速度计测量微重力大小,但两者都属于相对加速度测量,石英挠性加速度计有偏值,精度有限,静电悬浮式则量程较小。受绝对重力仪的启发,提出使用激光干涉方式测量绝对微重力的方法,以期取得更好的测量精度。相较于传统的微重力测量手段,通过改进的马赫-曾德尔干涉方法,周期性测量目标质量块的绝对位移,进而通过软件拟合,得到微重力加速度变化值。首先采用数值仿真模拟落塔运行过程中运行状态、微重力来源以及误差来源,定性分析其运动过程。指标分析与仿真表明微重力加速度测量频率在100 Hz时,精度可以达到测量值的10-4量级,在1 Hz时,精度可以达到测量值的10-6量级。研制了地面样机,进行了重力加速度的实验,以及通过小型落塔设备进行的微重力实验,通过信号处理,解算实际加速度值,并与理论值进行比较。微重力实验结果验证了利用激光干涉仪测量微重力加速度的可行性。

光电跟踪转台伺服控制策略研究

针对高性能光电跟踪转台负载重、摩擦大、跟踪精度要求高等特点,提出了基于复合控制的伺服控制策略,速度环路设计了带有扰动观测器的线性二次最优反馈控制器,并在前向通道增加了零相位误差跟踪控制器(ZPETC),提高速度环的跟踪性能,位置环采用非线性PID反馈控制方式降低超调,提高稳态精度;将低速率的位置给定信息分别进行插值细分和滤波,通过高增益微分器和卡尔曼预测滤波,对转台速度和加速度进行预测和估计,进行前馈实现复合控制,实践证明,这种策略可以有效提高大加速度下的跟踪精度。

宇航级气体轴承斯特林制冷机研发

通过Sage建立-80℃温区气体轴承斯特林制冷机热力学模型,成功开发了宇航级气体轴承斯特林制冷机并进行试验测试。环境温度23℃,供液温度30.5℃时(流量70 L/h),方波驱动输入功率为279.6 W,制冷量为68.5 W@-87℃;正弦波驱动输入功率179.5 W,制冷量为43.96 W@-87℃;正弦波驱动输入功率99.1 W,制冷量为22.5 W@-87℃。制冷机组件最大稳态噪声为45.4 dBA,满足舱内稳态噪声不超过50 dBA的要求。通过了宇航级力学和热环境适应性并开展了可靠性及寿命试验,采用线性外推法计算得出寿命在172800 h以上,满足空间站的可靠性及寿命(6.67年)的要求。2022年7月24日随问天实验舱成功发射进入空间站,实现了中国气体轴承制冷机首次在轨验证,填补空白。目前制冷机正常开机运行,已在轨累计运行2730 h,已经冷冻了包括植物样品、细胞样品及相变单元等15批样品,样品随神舟14号飞船下行。

天宫二号数据地表温度反演及其在城市群热环境监测中的应用

根据天宫二号宽波段成像仪热红外谱段的特点,提出了一种适用于天宫二号数据的劈窗算法,并以苏南城市群为研究区,进行了地表温度的反演。在此基础上,通过SUHI(Surface Urban Heat Lsland)指标分析了苏南城市群热环境空间分布特征。结果表明:劈窗算法可以有效地应用于天宫二号热红外数据,地表温度反演结果的均方根误差在1K以内;研究区地表温度结果与土地利用类型有较好的一致性,建筑用地温度最高,水体最低,苏锡常城市群形成一个整体热岛效应,SUHI指标能有效监测城市群的热岛强度及其空间分布。