在轨加注用超声波流量计的设计与试验

针对航天器在轨加注对推进剂流量的精确测量要求,研制了在轨加注用超声波流量计。在对传播时间法研究的基础上,提出流量计管路布局的设计要求,采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)的方法模拟4种不同管路布局(直角型、45°锐角型、直线型和圆弧型)对流体速度分布的影响,对比得到了优化的管路布局。信号处理电路使用斩波稳定比较器,通过阈值比较法,保证了传播时间的测量精度。流量计经标定后,在量程（0～150g/s）范围内可达到0.1%的测量精度。为了验证在轨加注过程中流量计的作用,在地面环境下进行了在轨加注地面模拟试验,试验表明超声波流量计在推进剂在轨加注中使用是可行的和必要的。     

小管径高精度超声波流量计设计

航天器推进剂在轨剩余量测量一直是航天器在轨管理所面临的一个难题.提出采用超声波流量计测量推进剂在轨剩余量的方法,并给出了超声波流量计的设计方案.设计的新型超声波流量计结构,通过改变超声换能器的安装方式,从而延长了超声波传播路径,减少了传播过程中超声波的衰减.通过以单片机和FPGA为主控制器、以高精度时间测量芯片作为数据采集模块的流量计软硬件系统实现了超声波流量计对液体流量的高精度测量.通过恒速测试、交变流速测试和总量测试表明,该系统测量精度达到了0.5%,可满足目前航天器推进系统推进剂剩余量的在轨测量要求.     

超声波流量计在航天器推进系统中的应用分析

超声波流量计作为一种先进的流量计量仪器已经在工业上得到广泛的应用,其高精度、易安装、不受环境因素影响等特性为航天器在轨推进剂计量带来了新的思路.超声波的反射特性使得该装置也可作为推进剂管路内流体状态的监测及故障诊断的有力工具.简介了超声波流量计的原理及发展,分析了该装置对航天器推进系统的计量及检测的适用性,并针对该项技术在中国航天器推进系统中的应用提出了具体建议.     

高精度主给水超声波流量计的不确定度分析方法

针对华龙一号等国内核电机组为实现小幅功率提升而提出的主给水流量高精度测量需求,通过对比分析高精度主给水超声波流量计的工作原理,确定了校准系数与介质密度等超声波流量计测量不确定度分量来源。此外,从仿真和实测相结合的角度出发,结合超声流量计的结构、测量原理和高温高压复杂工况等条件,对影响质量流量的声道几何因子和管道截面积两个分量,给出了针对不同情况下的不确定度评估方法。分析了实际安装环境对流量测量的影响,提出了如何评定流场流速所引入的不确定度,最终结合几种不确定度评价方法建立了高精度主给水超声波流量计的计量溯源方法。     

空间机械臂系统总体技术指标确定方法

总体技术指标的确定是空间机械臂总体设计中的关键,基于此,文章提出了一种空间机械臂总体技术指标确定方法,并进行动力学仿真研究。首先从任务目标出发,结合总体约束条件,对空间机械臂的长度、末端位姿精度、末端最大运动速度、关节驱动力矩等技术指标进行论证;然后建立系统的多体动力学模型,对常规工况和极限工况下空间机械臂的带载操作过程进行动力学仿真,以验证所确定的总体技术指标。仿真结果表明,所提出的思路和方法对于空间机械臂的设计和研制具有一定参考作用。     

超声波流量测量中流速计算方法的对比

超声波流量计(UFM,Ultrasonic Flow Meter)通过测量管路中顺流和逆流方向的超声波传播时间变化计算流速,因此超声波传播时间的准确测量对流量计的精度影响至关重要.对超声波流量计的测量方法进行研究,从环境温度的变化、时间测量的准确性、不确定度的计算3个方面,对比超声波传播时间差法和频率差法对流量测量精度的影响.通过超声波流量测量实验,验证了在流量计未校准的情况下,与频率差法相比,时间差法的测量精度更高,且其校准系数曲线的线性度更好,校准后可在全流量范围内获得更高的测量精度.     

一种新的基于PCNN的自适应强去噪方法

为了实现椒盐噪声的有效去除和图像细节及纹理的有效保留,提出了一种新的基于PCNN(Pulse Coupled Neural Network)的自适应滤波方法ADEN(Adapative Denosing method for Extreme Noise)-PCNN.该方法引入了像素受污染状态的甄别机制,只对被污染的像素进行降噪处理,保证了去噪的同时不损坏图像信息,实现了图像的细节和纹理的有效保留;为了确保图像质量,在面向图像降噪的PCNN神经网络阵列结构中引入了自组织机制,可以自动地估计噪声的强度信息并进行PCNN网络中神经元连接方式的自组织转换,此外引入了自适应机制,根据噪声强度的估计信息,自动进行滤波次数的优选,增强自适应能力.实验结果表明所提方法较常规方法和其他同类方法在去噪效果、保留图像细节方面展现出明显的优势.     

一种基于组合赋权法的小波去噪质量评价方法

针对传统质量评价指标在小波阈值去噪中理论依据不足的问题,提出了一种基于组合赋权法的小波去噪质量评价方法,能够为小波去噪参数的选择提供有效评价。通过分析在真值未知情况下均方根误差（RMSE）、信噪比（SNR）、平滑度等单项指标的特点,选取RMSE与平滑度作为小波去噪指标,对其进行归一化处理,采用信息熵权与变异系数的方法进行组合赋权,将归一化指标与对应权值线性组合,得到一种新的指标即为复合评价指标,其值越小,说明去噪效果越好,所选参数越优。仿真实验表明,在真值已知情况下,该评价指标具有更高的准确性,能够适用于不同的分解层数与小波基函数,具有比传统方法更好的适用性;实测数据表明,所提方法得出的小波去噪峰值域更加光滑,波形更加平稳,去噪效果更佳。     

基于新型C4D的小管道气液两相流流型辨识方法

基于径向结构的电容耦合式非接触电阻抗检测传感器,结合小波包分析技术和K-均值聚类算法,提出一种小管道气液两相流流型辨识方法。首先,利用径向结构的电容耦合式非接触电阻抗检测传感器,获取反映被测流体信息的电阻抗测量信号实部信息和虚部信息。然后,采用小波包分解的信号处理技术将实部信息和虚部信息分别分为4个频率段,提取不同频率范围的能量分布情况,并与各自的均值、方差构成特征向量。最后,利用K-均值聚类算法进行模式分类,建立流型辨识模型。在内径为3.5 mm和5.5 mm的玻璃管道内进行验证实验,实验结果表明,所获得的传感器测量信号能反映流体流动信息,提出的流型辨识技术路线是有效的,流型辨识精度可达88%以上。     

连续小推力航天器自主导航及在轨参数标定

以连续小推力航天器为背景,提出了综合考虑星载加速度计和推力器在轨标定的自主导航方案。首先以精确姿态测量和引力梯度模型为标定参考信息源,建立了包含加速度计参数、推力器参数以及光压系数的完整参数测量模型;然后基于天文导航方法建立了自主导航系统状态模型和观测模型;表明各状态和参数的能观性后,采用了具备良好计算效率和鲁棒性的双重无迹卡尔曼滤波方法进行状态和参数联合估计。分析与数值仿真表明,该方法通过结合参数在轨标定直接提高了导航模型精度,在工程应用中具备可行性和有效性。     

航天器规避动态障碍物的自适应人工势函数制导

针对航天器近距离操作中的动态障碍物规避问题,研究了一种燃料较省、精度较高的规避动态障碍物的自适应人工势函数制导方法。首先,对于引入高斯函数形式斥力势会使势函数在收敛点处的值不为零的情况,对斥力势乘以修正项,使得在收敛点的势能为零,消除了平衡点的偏离;在规避静态障碍物的基础上,研究了规避动态障碍物的人工势函数制导。其次,根据速度与引力梯度之间的关系,设计负反馈,使引力势梯度“适应”速度的变化,研究了规避动态障碍物的自适应人工势函数制导。最后,采用精确的数学模型进行数值仿真,验证所设计的制导律的正确性和有效性,并与传统的人工势函数制导对比。仿真结果表明：采用修正势函数提高了收敛精度;自适应人工势函数制导控制脉冲作用施加更加合理,相比人工势函数而言,总速度脉冲消耗可节省30%,精度提高两个数量级。     

基于IMM-UKF的航天器相对位姿确定算法

在航天器相对导航过程中,相对距离测量信息容易受到干扰,测量误差有较大的不确定性,通常基于单一模型的滤波算法无法对噪声进行辨识,很难获得精确的导航结果。针对应用Clohessy-Wiltshire(C-W)方程受到圆轨道假设的限制问题,研究了建立在惯性坐标系下的近距离相对运动方程(Lawden方程),建立了基于这两个方程的模型集。根据导航系统测量敏感器的特点,设计基于Rodrigues参数及无迹卡尔曼滤波(UKF)的交互式多模型(IMM)视觉相对位姿动态估计算法(IMM-UKF),在保证计算效率的前提下,确保相对轨道姿态确定的稳定性和精确性。数值仿真验证了算法的有效性和先进性。     

带变速控制力矩陀螺的航天器自适应姿态控制

航天器高精度姿态控制容易受到参数误差的影响,自适应控制能够合理地估计参数,使基于模型的控制器设计易于实现。自适应参数分为主星体惯量、变速控制力矩陀螺框架转子惯量及动摩擦系数3组,按参数分组对带变速控制力矩陀螺的航天器详细动力学模型进行变换,采用Lyapunov方法设计出姿态控制器、变速控制力矩陀螺群操纵律及参数自适应更新律,操纵律中引入加权矩阵以缓解陀螺奇异问题。理论分析和数值仿真表明闭环姿态控制系统全局一致最终有界稳定,参数自适应更新能有效减小角速度跟踪误差,使姿态四元数误差收敛更快。参数估计虽然不能准确收敛到其真值上,但均在可接受的范围内。     

交会对接气浮仿真平台视觉辅助姿态确定

文章首先介绍了用于空间合作卫星最后逼近段交会对接任务的仿真平台,描述了文中使用的姿态运动学方程和视觉成像算法。为了充分利用陀螺仪和视觉系统进行姿态确定,采用传统的扩展卡尔曼滤波（EKF）对两种测量数据进行融合,实现对姿态和陀螺仪漂移的估计。为了克服EKF调节参数过多和计算过程需要求逆的问题,设计了一种新的非线性观测器。最后,通过在对接仿真平台上进行试验,对比验证了非线性滤波器的有效性以及实用性。     

一类带液体晃动的航天器滑模姿态控制器设计

针对一类带液体晃动的航天器,在建立系统数学模型的基础上,利用一种增量滑模的设计方法来设计控制器。将系统状态变量分成可自行到达平衡位置和需要施加控制才能到达平衡位置两部分,对于需要施加控制达到预定平衡位置的状态变量,用增量滑模控制来设计控制律,将其分解成两个子系统,选取一个子系统的状态变量构造第一层滑模面,然后将第一层滑模面看成一个状态变量与另外一个子系统的状态变量构造第二层滑模面,最后采用Lyapunov方法求取总控制量。当系统接近平衡位置时,增量滑模控制器可以在保证最后一级稳定的情况下实现整个系统各个状态的控制,在30s内可以保证系统能够稳定在最终的平衡位置上。仿真结果表明,该方法能很好地达到控制效果。     

空间非合作目标交会对接影像测量自适应处理

分析了空间非合作目标影像测量及特征点提取机理,根据对接中特征点识别噪声不确定和空间摄动引起的模型误差,对传统滤波方法进行改进;通过量测更新后的新息数据对量测噪声量级进行估计,同时采用渐消自适应方法对模型误差进行处理,增进滤波效果;设计了针对空间非合作目标对接段的滤波器,能够提供对接段相对位置、速度、姿态角及角速率估计信息。仿真结果表明,提出的改进滤波算法能够在测量噪声不确定和模型误差条件下达到较好效果。     

基于CEI的航天器交会对接段的轨道监控

文章探讨了CEI技术在飞船交会对接远程导引段的实时监控的能力,采用单一绝对滤波器的方案进行实时轨道计算,仿真结果表明：采用滤波稳定后固定模糊度的方法可以提高轨道的滤波解精度,相对轨道位置精度可达十米级,速度精度可达厘米每秒级,满足远程导引段的精度指标。