航天器TDRSS中继终端入网验证初探

针对国内外航天系统的现状,介绍了NASA航天器TDRSS系统的应用情况和中继终端入网验证技术。在此基础上,面向航天器测控的发展方向,从综合利用中继终端入网验证设施、分析中继终端入网验证流程和管理体制方面,探讨了未来我国航天器TDRSS中继终端入网验证的设想。     

航天器中继链路测控通信覆盖性能分析

仿真分析了航天器在不同飞行姿态、不同性能中继终端下的中继链路测控通信几何覆盖率性能,比较了几何覆盖率与有效覆盖率的差异,给出了提高有效覆盖率的建议.     

宽波束中继技术在空间站任务中的应用研究

针对航天器现有窄波束中继终端天线在姿态快速变化及姿态异常条件下提供测控支持的局限性,提出了利用宽波束中继技术提供测控通信支持的方案。基于宽波束中继天线性能、天地链路性能对测控通信支持的影响分析,提出了改善链路性能的优化方案。结合空间站任务载人航天器各阶段测控通信支持的特点,分析了宽波束中继在入轨段、长期运行段和返回段的应用。分析结果表明:宽波束中继可为载人航天器从海南发射场发射时的入轨提供测控支持,也可为载人飞船返回提供测控支持。     

美国三代跟踪与数据中继卫星系统的发展

1983年4月,NASA将首颗跟踪与数据中继卫星（TDRS）送入地球同步轨道。经过20多年的发展,NASA已经部署了两代TDRS,当前正在发展第三代TDRS。本文介绍了跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）的演变过程,讨论了每一代TDRS和地面终端站的采购策略与技术要求,比较了第一代和第二代TDRS的特性和能力,并给出了各地面终端站的当前配置情况。     

中继卫星星间天线指向误差传播率研究

基于中继卫星星间天线对用户航天器的跟踪规律,建立了准确的误差传递模型,并对分析结果进行了仿真验证。文中首先定义了误差传递模型所需的各类坐标系;然后使用微分方法分别建立了中继卫星轨道误差传递模型、中继卫星姿态误差传递模型,分析了滚动角、俯仰角和偏航角与指向精度之间的关系,以及位置保持控制对指向精度的影响;最后借助于STK软件的轨道计算功能,使用蒙特卡罗方法进行数学仿真,仿真结果验证了误差传递模型的准确性。     

一种在紧缩场进行捕获跟踪试验的方法

为满足不断增长的天基中继业务需求,航天器星间链路常使用大口径高增益天线,且配置自动捕获和跟踪设备,以完成对目标航天器的自动跟踪.随着天线口径的增大,对场地空间要求不断增大,地面验证试验变得愈加困难.针对越来越难以实现的捕获跟踪外场试验,提出一种在紧缩场进行捕获跟踪试验的方案,方案详细分析了在紧缩场进行试验的可行性.通过设置跟踪通道校相因子,很好地分离了角误差信号,获得良好的S曲线以及非常小的交叉耦合,从而验证了在紧缩场进行捕获跟踪试验是可行的.相对于传统的远场测试方法,该方法具有不受气候影响、费用低等优点.     

存在物理约束的时变转动惯量航天器姿态控制

对存在角速度和控制输入有界的快速机动航天器姿态控制问题，设计了一种自适应双环姿态跟踪控制器。将虚拟有界角速度作为运动学方程的虚拟控制输入，使姿态控制问题降阶为角速度跟踪问题；构建递归自适应算法估计时变转动惯量及其微分，并基于障碍李亚普诺夫函数和线性回归算子，设计了角速度跟踪误差有界的变增益自适应姿态控制器。结果表明：该控制策略能使抓捕非合作目标航天器的姿态呈指数收敛到期望轨迹，且收敛轨迹不受外部干扰和抓捕瞬间的强干扰影响；在整个控制过程中，航天器的角速度小于0.4 rad/s，控制力矩小于10 N·m，满足了航天器对角速度和控制输入有界的物理限制。     

基于输出反馈的柔性航天器变结构跟踪控制方法

为解决柔性航天器姿态机动的控制问题,给出了基于输出反馈的变结构跟踪控制算法。针对柔性航天器的大角度机动,在建立了柔性航天器相对参考轨迹的动力学方程的基础上,设计了仅利用航天器本体的角度和角速度信息的变结构跟踪控制器,使得姿态状态跟踪误差(包括姿态跟踪误差和姿态角速度跟踪误差)以及挠性附件的模态变量从任意的初始状态出发都会到达包含原点的一个闭集内,并且姿态状态跟踪误差能收敛到零,并给出了严格的数学证明。仿真结果证明了所提控制方法的可行性和有效性。     

中继卫星跟踪航天器的轨迹分段优化算法研究

研究了中继卫星跟踪用户航天器的轨迹分段优化计算方法。首先根据位置矢量计算出理论跟踪轨迹,其次根据指向角连续变化的要求确定了单变量最小二乘拟合方法。在此基础上提出了基于动态拟合误差阈值的中继卫星跟踪轨迹分段优化方法。该方法首先确定在初始拟合误差阈值下跟踪轨迹的最优分段数目,然后将拟合误差阈值减小一个修正量,在新的误差阈值约束下重新计算各段的分段时长和分段数目,通过不断减小误差阈值进行循环计算,直到新的分段数目大于最优分段数目时完成计算。由于采用了逐步减小拟合误差阈值的动态阈值计算方法,使得各段的最大拟合误差得到了减小,并且达到了各段拟合误差的一致。该算法有效地提高了中继卫星程序跟踪中全程轨迹的计算精度,获得了良好的应用效果。     

中继卫星系统按需接入业务应用模式研究

DAS(按需接入业务)作为一种新兴业务,不但扩展了美国TDRSS(跟踪与数据中继卫星系统)的多址返向能力,而且还采用模块化的体系结构,为未来的空间网络互联提供了支撑。根据规划,我国未来的中继卫星系统也将提供按需接入业务。因此,在简要介绍TDRSS DAS概念与体系结构,并对其用户分类、返向波束工作方式、典型操作场景、服务模式进行分析的基础上,总结出6种DAS应用模式:1)航天器用户+随机接入+动态波束跟踪方式+任意TDRS或全TDRS服务模式;2)航天器用户+非随机接入+动态波束跟踪方式+特定TDRS服务模式;3)航天器用户+非随机接入+动态波束跟踪方式+任意TDRS或全TDRS服务模式;4)非航天器用户+随机接入+静态波束组合方式+特定TDRS服务模式;5)非航天器用户+随机接入+动态波束跟踪方式+任意TDRS或全TDRS服务模式;6)非航天器用户+非随机接入+动态波束跟踪方式+特定TDRS服务模式,以期能对我国未来中继卫星系统S频段多址业务的应用提供技术支撑。     

推力突变对图像跟踪和制导的影响

研究末制导加速飞行段推力突变对图像制导导弹跟踪和制导的影响，分析了推力变化时射手滞后对导引头输出的影响，利用多媒体技术生成的虚拟战场，在不同捕获距离条件下，通过将射手作为实物进行跟踪与制导的半实物仿真，获得因推力突变引起的跟踪误差和比例系数的变化规律，结果表明，通过适当控制末制导加速飞行段推力突变的大小，可以保证跟踪稳定和弹道收敛，并使导弹的机动性大大增加。     

基于终端滑模的航天器自适应预设性能姿态跟踪控制

针对航天器姿态跟踪控制的快速性需求,提出一类自适应终端滑模有限时间控制方法,通过引入饱和函数解决了终端滑模控制器的奇异问题,并结合实际有限时间稳定概念显式地给出了系统状态收敛时间和收敛范围之间的对应关系;为在提高系统鲁棒性的同时避免控制器抖振,设计了一种新型自适应律估计并补偿未知环境干扰。进一步地,针对如遥感卫星对地扫描成像等姿态跟踪任务中存在的状态约束问题,通过在控制器中引入具有对数形式的预设性能项,使系统滑模面响应具有期望的动态过程,约束了航天器姿态跟踪误差及其一阶导数的变化范围。仿真结果表明,设计的控制器具有较高的控制精度和响应速度,满足实际任务对状态约束的需求,且其控制输出不存在奇异和抖振,具备良好的工程应用价值。     

利用Singer模型的无陀螺姿态和角速度估计

 给出了一种利用Singer跟踪模型的扩展卡尔曼滤波器 (ExtendedKalmanFilter) ,用于无陀螺姿态和姿态角速度估计。在滤波器中 ,姿态和姿态误差分别由姿态四元数和误差四元数表示 ,而姿态角加速度由一阶Markov过程描述 ,从而避免采用姿态动力学模型。利用数值仿真计算验证了滤波器的性能。在所有的仿真过程 ,滤波器显示出快速收敛能力。稳态估计误差主要由测量更新频率和精度决定。     

Tracking of planetary terrains

The AFAST project (Autonomously Feature And Star Tracking) at the Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology is engaged in the attitude determination and tracking of the CCD camera pointing direction on future spacecraft missions. Ground based attitude determination is time-consuming and costly. This implies that the attitude determination and the tracking of the pointing direction must be autonomous and rely exclusively on the CCD sensor. Also, distant observations call for autonomy, as relay times to Earth make ground control infeasible. This paper presents a strategy to track the pointing direction on planetary terrains. The strategy utilizes multiple closed contours in a planetary image. It accomplishes tracking by recognizing a constellation of the closed contours. The strategy is adaptable to both spacecraft and missile applications     

A Tracking Filter in Spherical Coordinates Enhanced by De-noising of Converted Doppler Measurements

Tracking problem in spherical coordinates with range rate (Doppler) measurements, which would have errors correlated to the range measurement errors, is investigated in this paper. The converted Doppler measurements, constructed by the product of the Doppler measurements and range measurements, are used to replace the original Doppler measurements. A de-noising method based on an unbiased Kalman filter (KF) is proposed to reduce the converted Doppler measurement errors before updating the target states for the constant velocity (CV) model. The states from the de-noising filter are then combined with the Cartesian states from the converted measurement Kalman filter (CMKF) to produce final state estimates. The nonlinearity of the de-noising filter states are handled by expanding them around the Cartesian states from the CMKF in a Taylor series up to the second order term. In the mean time, the correlation between the two filters caused by the common range measurements is handled by a minimum mean squared error (MMSE) estimation-based method. These result in a new tracking filter, CMDN-EKF2. Monte Carlo simulations demonstrate that the proposed tracking filter can provide efficient and robust performance with a modest computational cost.     

激光推进中继折转系统的控制分系统性能仿真

为了在激光推进系统中实现对主激光的精确控制,设计了中继折转系统。中继折转系统以光学方法捕获信标光后实时解算出信标光和主激光方向并驱动中继折转镜调整姿态,实现自主闭环跟踪。控制分系统采用基于PC104总线架构方式,由电流环、速度环和位置环构成三环调节系统。对整个控制系统进行了计算机仿真,设计位置回路的跟踪带宽为2 Hz,速度回路的带宽为5 Hz,系统的跟踪精度小于0.4°。仿真结果表明,中继折转系统达到了设计要求的控制精度,能满足整个激光推进系统的使用要求。     

MULTISENSOR TRACKING SYSTEM WITH ATTITUDE MEASUREMENTS

ＭＵＬＴＩＳＥＮＳＯＲＴＲＡＣＫＩＮＧＳＹＳＴＥＭＷＩＴＨＡＴＴＩＴＵＤＥＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＳＤｉｎｇＣｈｉｂｉａｏ，ＭａｏＳｈｉｙｉ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅ...     

基于 Nussbaum函数的多无人机预设性能反步容错协同控制

针对多无人机协同执行任务过程中遭遇执行器增益故障下的安全飞行控制问题,设计了 1种预设性能反步容错姿态跟踪控制方案,以实现故障下的多无人机姿态同步跟踪控制。首先,定义飞行器的姿态同步跟踪误差和姿态角速率跟踪误差,分别利用预设性能函数对 2种误差进行约束,将不等式约束转化为等式约束。其次,基于转换误差设计反步容错姿态同步跟踪控制器,应用 Nussbaum函数解决由增益故障引起的未知控制增益问题。Lyapunov稳定性分析表明,姿态同步跟踪误差与姿态角速率跟踪误差稳定且收敛。仿真结果验证了控制方案的可行性以及有效性。