中继卫星天线指向控制策略研究

首先根据中继卫星系统中中继卫星跟踪用户星的要求,定义了中继卫星天线坐标系,推导出了中继卫星天线对用户星的跟踪规律,通过该跟踪规律可以推出中继卫星跟踪用户星时天线方位和俯仰轴转角,为了保证中继卫星与用户星之间的通信,中继卫星单址天线需要精确的指向用户星;然后详细描述了天线指向控制概念,并且设计了星上自主控制方案,星上自主控制方案由捕获和自动跟踪模式组成,一方面设计了天线捕获过程,另一方面对自动跟踪模式的天线步进逻辑进行了合理选择;最后根据推导的跟踪规律,以不同轨道的用户星作为跟踪目标,对所设计的天线指向控制系统进行了数学仿真,并且通过对仿真结果的分析验证了中继卫星单址天线指向性能。     

中继卫星系统对用户航天器快速测定轨能力分析

针对快速交会对接方案提出的航天器两圈实现变轨的可行性,使用太阳活动平静期的用户航天器四程测距数据,并结合中继卫星观测模型设计磁暴期航天器仿真测距数据,使用动力学定轨方法进行计算分析,论证了中继卫星系统对用户航天器的快速测定轨能力,解算出的航天器轨道根数精度为快速交会对接机精度分析提供了参考。     

中继卫星系统对用户航天器快速测定轨能力分析简

针对快速交会对接方案提出的航天器两圈实现变轨的可行性,使用太阳活动平静期的用户航天器四程测距数据,并结合中继卫星观测模型设计磁暴期航天器仿真测距数据,使用动力学定轨方法进行计算分析,论证了中继卫星系统对用户航天器的快速测定轨能力,解算出的航天器轨道根数精度为快速交会对接机精度分析提供了参考.     

基于中继测量的环月探测器定轨能力分析

嫦娥四号月球探测拟首次实现月球背面的软着陆,测控与数传依赖地月L2平动点的中继卫星,并有望获取四程测量与星间测量数据。对基于中继测量的环月探测器测定轨能力进行了仿真分析,结果表明,中继卫星可较好地实现环月探测器连续跟踪;在定轨能力方面,中继卫星自身轨道精度是制约环月探测器定轨精度的重要因素,当跟踪弧段达到5h以上时,定轨精度趋于稳定,但轨道精度较中继卫星的轨道精度相差1个量级;对于星间链路测量,除中继卫星自身的轨道精度外,星钟的稳定性是制约定轨精度的另一个重要因素,如果辅助以每天1h的地基跟踪亦可实现优于百m的定轨精度。     

中继卫星复合控制系统设计

根据中继卫星系统多体控制的特点，合理地选择了中继卫星复合控制系统方案；然后根据所选择的方案，分别设计了中继卫星星体姿态稳定控制系统和单址天线指向控制系统，详细描述了天线指向控制概念，并且设计了星上自主控制方案；最后以不同的用户星作为跟踪目标，对所设计的复合控制系统进行了数学仿真。通过对仿真结果的分析，验证了该系统的有效性。     

小卫星主动磁控制地球捕获姿态控制系统设计

分析了小卫星捕获阶段的客观条件要求,重力梯度杆的指向要求,捕获阶段视为大角度机动问题,采用欧拉动力学和四元数方法描述,建立小卫星捕获阶段的动力学模型。控制器采用大角度机动拟 PD控制,拟PD控制器参数采用了简化分析和经验调试设计,同时分析设计了磁力矩器的磁偶极子,最后给出某小卫星姿态捕获仿真结果,经过几个轨道周期后可以实现一定精度的对地捕获,验证了本文的设计方法的可行性。     

TDRSS轨道确定方法的初步研究

本文针对TDRSS(跟踪和数据中继卫星系统)的中继卫星(地球赤道同步卫星)至用户星(被跟踪航天器)的测距、测速资料,给出了这种星-星跟踪定轨的条件方程。根据星-星跟踪定轨、星-星跟踪和星-地跟踪混合定轨的各种情况(是否同时确定中继卫星轨道,一颗或几颗中继卫星等),给出了不同的测轨流程和方法。为了进行仿真计算,本文针对TDRSS的具体情况,给出了生成仿真观测资料和相关数据的方法,分析了仿真计算的功能。初步的部分试算表明,星-星跟踪对提高我国用户星的测轨精度确实具有重要作用;努力提高地球赤道同步卫星(中继卫星)的测轨精度,可以大大简化TDRSS用户星的测轨流程,有利于用户星的轨道确定。     

自主机动条件下的实时定轨方法

中继卫星在跟踪自主机动用户目标时,由于机动轨道未知,需要利用中继卫星下传的星载GNSS(Global Navigations Satellite System,全球导航卫星系统)数据进行实时轨道确定与预报,为中继卫星跟踪提供实时的引导信息,以方便中继卫星快速捕获目标和连续稳定跟踪。针对该类用户目标的任务需求,讨论了基于星载GNSS数据自主机动条件下的实时定轨方法,建立了连续推力机动力学模型。以某一型号卫星的实测数据进行分析验证,并对轨道机动进行辨识,计算的机动加速度和机动时间与试验单位提供的结果一致。针对卫星不同机动情况,5min的观测数据定轨预报10min的弧段,最大位置误差小于8km,可以为中继卫星快速捕获提供高精度的引导信息。     

用户星天线空间扫描策略

 天线空间扫描过程是建立中继卫星系统星间链路的关键阶段之一。首先分析比较了水平行扫、螺旋扫描和分行螺旋扫描策略,并根据分析结果,结合轨迹预处理算法,设计了一种变速分行螺旋扫描策略。然后采用蒙特卡罗仿真分析了用户星天线开环回扫指向精度,近似确定了天线空间扫描的范围。最后通过仿真比较等速分行螺旋扫描和变速分行螺旋扫描策略,并仿真了用户星天线捕获中继卫星的过程,通过仿真结果证明所设计的变速分行螺旋扫描具有一定的工程应用价值。     

双星编队对空间非合作目标的仅测角跟踪方法

针对单星仅测角对目标跟踪误差较大和不良测量条件下跟踪精度下降的问题,提出利用编队卫星对非合作目标进行联合跟踪的方法。采用考虑地球非球形J2引力摄动的轨道动力学模型,建立多视线测量模型,融合编队卫星对目标的观测数据。然后,基于新息设计增益调节矩阵提高滤波器在测量故障条件下的鲁棒性。最后,建立仿真模型进行验证。仿真结果表明,相比单星跟踪,该方法的位置误差和速度误差分别减少了27.06%和26.96%。在系统存在异常量测时,相比常规滤波,该方法也具有更高的精确性和更好的鲁棒性。     

Calibration of Precision Gimbaled Pointing Systems

Corrections of pointing data provided by gimbal readout transducers can be used to compensate for the errors that arise because of gimbal misalignments and inaccuracies in transducer readout. This paper reviews the sources of pointing error in precision gimbaled pointing systems and describes the techniques for determining them. In particular, a method of calibration that is suitable for systems in which constraints on gimbal travel preclude the use of conventional calibration procedures is presented, and the pointing readout accuracy that can be achieved by this method is evaluated.     

中继卫星系统动力学分析

应用单摆模型来等效液体晃动，并利用拉格朗日方程建立了中继卫星的动力学方程。在确定天线跟踪规律的基础上，从工程实际的角度分析了天线和星体之间的耦合作用。考虑天线不同的跟踪模式，将卫星的本体视为刚性体，在星体无控情况下进行系统的动力学响应分析。通过数值仿真确定天线在不同跟踪模式下对星体姿态的影响，并通过有无柔性振动和液体晃动结果的分析，得出天线运动特别是高速回扫、附件柔性振动都会对星体姿态产生比较大的影响，而液体晃动对星体姿态影响不大的结论。     

定向通信系统天线波束指向误差分析

对影响定向通信系统天线波束指向误差的因素进行了分析,给出了一种特殊情形下波束指向误差与姿态角的关系式,同时给出了一般情形下基于最小二乘估计的波束指向误差与姿态角关系的推导方法.给出的关系式和方法对分析定向通信系统波束指向误差提供了理论依据,有助于评估定向通信系统的波束对准情况.     

Conceptual design,modeling and compliance characterization of a novel 2-DOF rotational pointing mechanism for fast steering mirror

In this paper, a novel 2-DOF rotational pointing mechanism (RPM) is designed inspired by the guidelines of the graphical approach. The mechanism integrates with a fast steering mirror (FSM) for compensating pointing errors of a laser beam. The design intends to achieve an angular travel of ±10 mrad and steers a 25 mm mirror aperture. A planar flexure with beam flexures accompanied in parallel with an axial flexure build-up mechanism configuration. Compliant mechanism-based RPM ensures high precision and compactness. Compliance characteristics are established based on the stiffness matrix method for four different planar flexure layouts. One layout with best in-plane rotational compliance is then assessed for performance sensitivity to mechanism dimension parameters and parasitic error, thus informing the design space. Rotational stiffness in both the in-plane rotational axes and stress is determined based on finite element analysis (FEA). The wire electrical discharge machining (EDM) is employed for developing the proof of concept for the RPM and is then assembled in FSM. Experiments are conducted to determine the rotational stiffness and angular travel about both in-plane rotational axes. Comparison among theoretical, numerical and experiments reveal excellent linearity of rotational stiffness along the rotational travel range. The maximum theoretical error is less than 5.5% compared with FEA while, the experimental error has a mean of 5% and 3% for both rotational axes thus satisfying the intended design requirement.     

绕月探测器的自主光学导航研究

提出了一种利用高斯-马尔科夫过程和Unscented卡尔曼滤波的绕月探测器自主光学导航算法。针对很难事先确定精确地绕月探测器轨道动力学模型问题,提出利用高斯-马尔科夫过程来近似轨道动力学中的无模型加速度,进而提高了轨道动力学模型的精度;考虑到基于扩展卡尔曼滤波的轨道确定存在的问题,提出利用基于Unscented卡尔曼滤波来估计探测器的位置、速度及无模型加速度,提高了轨道估计精度和保证了算法的稳定性。最后,通过数学仿真验证了自主光学导航算法的有效性。     

基于执行时段滑动调整策略的中继卫星任务规划算法设计

针对中继卫星任务规划问题开展研究,提出一种基于执行时段滑动调整策略的任务规划算法。首先分析了中继卫星资源调度过程,并对任务申请的时间特征进行形式化描述,然后归纳出任务分配的主要约束,从而完成问题建模。在此基础上,对优化算法进行设计,给出了执行时段滑动调整步骤。通过调整已规划任务执行时段的方法,使部分原本无法执行任务具备执行可能,提升了任务执行率和资源利用率。在仿真实验中,通过大规模测试分析对比不同算法的优化效果,验证了文中所提方法的有效性。     

On-orbit calibration of satellite antenna-pointing errors

A pragmatic approach is presented to the on-orbit calibration of the spaceborne gimbaled parabolic reflector antennas to enhance their pointing and tracking accuracies in the presence of unknown structural deformations and other errors. The technique described is based on the second-order extended Kalman filter. Except for some knowledge of Kalman filtering, the work is self-contained and tutorial in character, developing necessary error models and deriving most pertinent equations from first principles. Preliminary simulations, from which covariance analysis results have been obtained, indicate a 66% improvement in the accuracy of the antenna pointing angles