天宫二号对地观测应用研究进展

天宫二号空间实验室在轨运行两年多的时间内,对地表、海洋和临近空间大气进行探测,获取了大批高质量遥感数据。针对天宫二号遥感数据的应用研究进展,总结了天宫二号3个对地观测载荷的主要应用技术指标,分析了所获取的多载荷遥感数据在国土资源、海洋及海岸带应用、湖泊监测、农业应用、生态环境和大气环境探测等多个领域的应用研究成果;对天宫二号遥感数据进一步扩大应用研究范围、数据定量化应用、多源遥感数据融合应用与智能化分析等进行了展望。     

天宫二号空间实验室延寿设计及实施

天宫二号作为天宫一号的备份产品而生产,是地面贮存时间最长的载人航天器。为确保满足任务要求,同时提高经济效益,降低研制成本,开展了天宫一号备份器产品延长设备贮存期的可行性研究及措施制定工作,覆盖天宫二号产品数量的80%,通过识别和克服寿命影响因素,采用维修、改造、改善贮存环境条件、借鉴工程应用信息等延寿措施,首次制定了系统级载人航天器延寿方案。方案的有效性通过天宫二号完成神舟十一载人飞船和天舟一号货运飞船任务得到了验证,也可为后续航天器产品延寿工作设计提供参考。     

天宫一号高光谱数据的陆地应用

针对天宫一号搭载的高光谱成像仪获取的数据,在国土资源调查、土地利用监测、林业应用和应急灾害监测等陆地应用情况及研究成果进行了总结,系统梳理了天宫一号高光谱成像仪的优势及先进性,以期为国产高光谱数据的应用和后续同类型载荷的研发提供经验参考。     

利用TLE数据判别天宫一号目标飞行器姿态

针对传统姿态判别方法对观测条件要求高、航天器翻滚速度缓慢情况下判别难度大的不足,从姿态变化引起迎风面积变化这一特点出发,提出了一种基于弹道系数的天宫一号姿态判别方法。使用双行根数作为数据源,对双行根数进行预处理,检测轨道机动事件并剔除误差较大根数;改进基于双行根数序列的弹道系数计算方法,并基于弹道系数结果判别出天宫一号姿态稳定、逐渐变化及翻滚三个阶段。     

类天宫航天器迎风面积建模及变化特性分析

针对类天宫航天器复杂结构外形迎风面积的精确计算问题,提出了一种在轨飞行期间迎风面积的计算模型。该模型考虑航天器姿态变化和帆板转动因素,在航天器本体系下建立经纬度网格,将三维的投影方向矢量转化为二维的经度、纬度;基于图形学几何投影方法,对投影经度、投影纬度、帆板转角模型参数按照一定颗粒度离线穷举,计算各种参数状态的迎风面积,离线建立航天器迎风面积模型;轨道计算过程中,根据航天器在轨飞行模式确定该时刻的姿态和帆板转动角度,通过迎风面积模型插值获得迎风面积。应用该方法计算天宫一号长期在轨飞行阶段的迎风面积,对不同时间尺度的变化规律进行了分析,验证了方法的有效性。     

天宫一号技术状态管理方法及工程实践

介绍了天宫一号地面研制和在轨飞行的技术状态管理方法,结合天宫一号工程实践,对该方法的应用进行了分析。结果表明,天宫一号研制过程中的技术状态管理方法适应工程实践的需要,在轨技术状态管理方法确保了飞行任务的成功。在天宫一号技术状态控制信息化及技术状态审核表格化管理的成果基础上,提出了后续载人航天器技术状态管理微观化和项目关联自动化的建议。     

基于天宫二号数据的西南石漠化地区植被分类

为更好地对西南石漠化地区植被进行动态监测,将天宫二号可见光近红外数据作为一种新的数据源应用于该区域的植被分类。基于单一时相多数据源的天宫二号可见光近红外数据和Landsat8全色波段数据,采用面向对象的决策树分类法,将实验区一分为非植被、耕地、草地、灌木和乔木;基于多时相单一数据源的天宫二号可见光近红外数据,采用基于像元的决策树分类法,将实验区二分为非植被、耕地、草地、常绿灌木林、落叶灌木林、常绿阔叶林和落叶阔叶林。实验设计的3个关键点为:确定准确合理的植被分类体系、选择适宜的辅助信息改善分类效果、结合影像特征确定分类方法。结果表明,2组实验分类总体精度不低于0.70,kappa系数不低于0.61。     

基于天宫二号数据的北京市地表温度反演研究

针对新型国产遥感数据源天宫二号宽波段数据的波段特点,在传统劈窗算法的基础上推导出适用于天宫二号宽波段数据的地表温度反演算法参数,对北京市地表温度进行反演,并采用MODIS地表温度产品进行交叉验证。在此基础上,结合北京市不同土地利用类型图对地表温度情况进行分析。结果表明:天宫二号宽波段数据的波段设置满足地表温度反演的参数需求;利用天宫二号数据反演的地表温度与MODIS地表温度产品具有较好的一致性,相关系数为0.79,均方根误差为1.28 K;研究区不同土地利用类型地表温度存在差异,其中建设用地温度最高,水域最低。     

天宫飞行器低轨控空气动力特性一体化建模与计算研究

对非规则板舱组合体天宫飞行器300~200 km低轨道飞行过程空气动力特性一体化计算建模,提出考虑复杂构型物面遮盖效应面元解析法与经修正的Boettcher/Legge非对称桥函数,发展基于三角形面元逼近复杂外形通用处理方法,建立适于天宫飞行器复杂物形处理与面元气动力系数计算规则;将DSMC方法与求解Boltzmann模型方程气体运动论统一算法应用于天宫飞行器简化外形,进行气动力当地化关联参数计算修正,建立针对大型复杂结构天宫飞行器低轨道飞行控制过程空气动力特性一体化快速算法与程序软件。对大尺度圆柱体外形与天宫飞行器300~200 km不同高度变轨飞行过程不同迎角与侧滑角及帆板平面与本体主轴不同夹角复杂构型气动力特性计算分析验证,表明天宫飞行器在200 km以上低轨道飞行控制过程中所受空气动力系数随飞行高度发生显著变化(8%~50%),证实长期在轨运行的大型航天器若采用统一固定的气动力系数,误差累积巨大,需要采取防护措施,低轨道飞控大气阻力仍是制约航天器定轨预报精度最关键因素。     

天宫一号大气密度探测数据与模式的比较分析

利用天宫一号的轨道大气环境探测器在2012年12月7日至2013年1月4日，地磁活动平静下的大气密度探测数据，与NRLMSISE-00和JB2008模式进行比较。与实测数据相比，NRLMSISE4）0模式整体高估11．6％，而JB2008整体低估9．8％。JB2008模式在逐日变化趋势方面与实测结果更吻合，更好地反映了太阳辐射对热层大气的影响；而NRLMSISE-00在平静期间地磁活动影响大气密度的变化特征上，比JB2008更符合实测结果。实测结果显示冬季半球日峰值出现时间比夏季半球早，JB2008与实测相符，NRLMSISE-00则与实测相反。整体而言，在天宫一号轨道高度、地磁平静期，JB2008模式优于NRLMSISE-00模式。     

类天宫飞行器轨道衰降过程空气动力特性一体化建模并行优化设计

针对天宫一号目标飞行器无控飞行轨道衰降数值预报需要快速确定轨道积分高精度计算模型中的空气动力,在发展基于修正Boettcher/Legge非对称桥函数的天宫一号空气动力特性当地化算法基础上,对当地化算法的运算流程及对应程序代码进行了整体分析,根据原程序热点代码集中、数据独立性强及传输需求少等特点,发展了多核处理单元的并行优化方法。引入CUDA架构的GPU设备同时,开展了系统、算法以及语句三个层次的并行优化,设计了GPU内存对齐访问方案,使用数据传输函数,将算法求解部分内循环经过展开与合并,整理为整体移植入核函数的一个循环,利用GPU较强的并行计算能力提升运算效率,对函数、循环、指令等代码语句进行级别优化。使用设计的并行计算方案对类天宫飞行器空气动力特性当地化串行算法程序进行CPU+GPU移植优化,达到了近5倍的并行加速比,且使单次求解中GPU数据传输时间缩减为原来的23%,证实了并行方案和优化设计手段的高效实用性。在类天宫飞行器空气动力特性GPU并行算法程序验证基础上,使用GPU并行程序对天宫飞行器轨道衰降飞行340～120 km过程的气动特性进行了不同迎角、侧滑角等飞行姿态计算分析,提供了大量可供轨道飞行力学数值预报的空气动力计算数据。     

周建平:天宫二号空间实验室将于2016年发射

<正>全国政协委员、中国载人航天工程总设计师、《载人航夭》主编周建平近日接受新华社记者专访时表示,天宫二号空间实验室将于2016年发射。天宫二号是在天宫一号目标飞行器备份的基础上,根据天宫二号的任务需要改装研制而成。周建平介绍说,天宫二号的发射准备工作进展顺利,它将用于验证空间站的技术,也将接受航天员的访问。他表示:"天宫二号入轨并完成在轨测试后,将与之后发射的神舟十一号飞船完成交会对接。航天员在天宫二号上生活的时间将比在神舟九号、神舟十号生活的时间更长。"     

天宫飞行器过渡流区高超声速绕流N-S/DSMC耦合计算

针对类天宫飞行器服役期满再入大气层多次解体过程残骸碎片绕流对气动特性干扰影响的问题,在数值求解N-S方程的CFD和DSMC方法程序研究基础上,采用MPC耦合处理原理,发展了基于Chapman-Enskog非平衡速度分布函数的耦合区域双向信息交换亚松弛计算技术,建立了适于残骸碎片两体不同间隔绕流干扰流场的N-S/DSMC耦合算法。对天宫飞行器两舱结构体在过渡流区低密度风洞试验状态进行了耦合计算,计算结果与风洞试验结果吻合很好,验证了所建立的耦合算法对再入解体残骸碎片气动特性计算的有效性和可靠性。通过对天宫飞行器解体碎片的简化外形球和球柱体在过渡流区高超声速两体干扰气动特性进行不同间隔绕流场耦合计算分析,结果表明,在一定的距离范围内,两体干扰会对残骸碎片的气动特性产生较强的影响,不同的残骸碎片外形在不同距离的干扰规律不一致。计算结果为天宫飞行器再入解体气动融合轨道数值预报提供设计依据。     

天宫一号目标飞行器氢镍蓄电池压力-容量充电控制研究

作为在轨管理的关键部分,良好的充电控制是保证蓄电池长寿命的重要因素。对于氢镍蓄电池,压力-容量充电控制是最理想的充电控制方式,但存在压力检测难度大、控制策略复杂等困难。天宫一号目标飞行器氢镍蓄电池通过大量的压力测量地面可靠性试验,解决了压力传感器的测量稳定性及一致性问题;同时提出柔性充电控制策略,给出了压力-容量标准曲线、不同荷电态下的充电电流及压力控制点修正系数。在轨数据表明,天宫一号目标飞行器氢镍蓄电池压力-容量充电控制稳定,满足设计要求。     

基于天宫二号宽波段成像仪数据的气溶胶光学厚度遥感反演研究

为探究天宫二号数据用于空气溶胶光学厚度(AOD)反演的可行性,基于天宫二号宽波段成像仪数据,结合MOD09A1地表反射率产品,利用深蓝算法进行了黄河三角洲上AOD的遥感反演,并与Himawari-8 AOD产品进行了对比。结果表明:天宫二号宽波段成像仪数据可用于AOD反演,与同时期Himawari-8产品的拟合度为0.739,两者具有一致的空间分布;天宫二号宽波段成像仪获取的数据空间分辨率较高,能反映研究区AOD空间分布细节,在气溶胶监测方面有较大的潜力。     

“天宫一号”目标飞行器表面污染物质沉积探测数据及分析

航天器进入空间环境以后,表面和内部材料通过解吸和放气过程会迅速释放出在地面环境和材料加工中所吸附的气体分子和颗粒,再沉积到航天器表面,形成污染物质层。这种现象会对航天器上一些技术分系统(如能源系统、光学遥感系统、温控系统等)产生程度不同的负面影响。"天宫一号"目标飞行器上携带了微质量计,首次在载人航天轨道上就位监测飞行器表面污染物质沉积及其变化,证实了这种污染现象和污染物质的存在。探测数据分析表明,飞行器表面污染物质沉积量随时间累积增长,在三次交会对接期间尤为显著,同时表面沉积量增长与温度呈负相关关系,姿态变换对其影响有待进一步讨论。     

天宫二号组合体与伴星有效迎风面积的一种分析计算模型

针对空间实验室任务阶段大型复杂结构航天器精密定轨中的大气阻力建模与迎风面积计算问题,分析了大气阻力模型的主要不确定性因素,采用了一种基于OpenGL和目标3ds模型文件的迎风面积计算方法,给出了航天器在正飞与连续偏航2种状态下的迎风面积计算方式,计算了天宫二号、神舟十一号组合体与伴星的迎风面积,分别求解得到两目标在相同轨道高度飞行24天时间里的大气阻力系数约为2.0,二者之差约0.01～0.07。     

天宫一号频繁轨控条件下快速测定轨精度及策略分析

2016年,中国将要执行空间站与货运飞船的快速交会对接试验,该试验要求飞船起飞后6 h完成与空间站的交会对接。工程实践中需要对飞船进行多次远导控制,其间留给快速定轨的数据时长最少可能只有5 min,这对短弧定轨精度提出了较高要求。利用天宫一号在轨运行期间实测数据开展了快速测定轨试验,试验频繁轨控条件下5 min数据时长的快速测定轨精度。试验结果表明,不同条件下短弧定轨精度差异较大,这为快速交会对接试验带来了较大风险。为了提高短弧定轨精度,制定了利用轨控前后数据联合解算轨控从而增加定轨数据弧段的方法提高短弧定轨精度的定轨策略。分析结果表明,该定轨策略有效提高了短弧定轨精度,可满足快速交会对接试验轨道维持控制要求。     

“神舟九号”载人飞船与“天宫一号”目标飞行器交会对接

北京时间2012年6月16日18时37分,执行我国首次载人交会对接任务的＂神舟九号＂飞船由＂长征二号F＂运载火箭从酒泉卫星发射中心点火发射升空,顺利进入预定轨道,将3名宇航员准确送入太空。此前,＂天宫一号＂目标飞行器已于6月初降轨调相进入对接轨道,等待＂神舟九号＂飞船的此次赴会。     

天宫号目标飞行器氢镍蓄电池压力-容量充电控制研究简

作为在轨管理的关键部分,良好的充电控制是保证蓄电池长寿命的重要因素.对于氢镍蓄电池,压力-容量充电控制是最理想的充电控制方式,但存在压力检测难度大、控制策略复杂等困难.天宫一号目标飞行器氢镍蓄电池通过大量的压力测量地面可靠性试验,解决了压力传感器的测量稳定性及一致性问题;同时提出柔性充电控制策略,给出了压力-容量标准曲线、不同荷电态下的充电电流及压力控制点修正系数.在轨数据表明,天宫一号目标飞行器氢镍蓄电池压力-容量充电控制稳定,满足设计要求.