遥感卫星载荷海洋耀斑观测几何模型研究

为研究遥感卫星观测海洋耀斑时耀斑观测角度及耀斑长度的变化规律,为遥感载荷视场设计提供基础参考数据,文章在假设海洋表面完全反射的基础上,建立了卫星载荷海洋耀斑观测的完全几何模型,确定了卫星观测海洋耀斑的镜面反射极限位置,并建立方程组求取耀斑观测边缘视场指向角,以此获取耀斑观测角和耀斑长度。结合轨道仿真软件(Satellite Tools Kit,STK),以夏至日和冬至日的太阳同步轨道为算例,完成边缘视场耀斑观测指向角、耀斑观测角、耀斑长度的计算。结果表明,耀斑观测参数呈现明显的轨道周期特性,两个耀斑观测边缘指向角在冬至日和夏至日变化趋势相似,但变化范围不同;耀斑观测角呈类正弦变化,最大约为0.43°;耀斑长度夏至日时在0~29.2km范围内变化,冬至日时在0~29.7km范围内变化。通过STK软件生成的耀斑观测指向角与文章模型生成的耀斑观测边缘视场指向角进行对比验证,表明耀斑观测几何模型正确、合理,可为卫星遥感载荷的海洋耀斑观测或规避提供理论依据和边界条件。     

访问多个特定相对位置的航天器轨道设计

在航天器轨道设计问题中,将惯性空间中经典的吉布斯三矢量定轨方法拓展到相对运动空间中,给出了一种相对运动条件下的三矢量定轨方法。针对已知轨道的目标航天器,以及二个或三个给定的空间相对位置,基于相对运动方程,提出了设计跟随航天器飞行轨道的数值方法。以轨道面共面或异面,以及目标航天器轨道形状为椭圆或圆,将问题分为四种情况进行约束条件和自由变量个数的分析讨论。对于自由变量个数多于约束方程的情况,额外给定周期重访约束,将各种情况下的特定相对位置访问问题转化为一至二维的非线性方程(组)求解问题。对一维方程求解采用分段黄金分割+割线法进行快速求解;对二维方程组通过网格法搜索迭代初值并通过牛顿迭代快速求解。进一步基于线性模型的解,采用微分修正方法求解了各情况下J2摄动模型下的结果。数值算例验证了提出方法的正确性及有效性。     

光学卫星等比降地速的地影区主动推扫姿态规划

针对光学推扫卫星在地影区进行夜间推扫成像时,卫星相机成像区域地速过快导致传感器积分时间不足而难以获取高质量夜间影像的情况,设计了一种卫星等比降地速主动推扫的姿态规划方法。首先,根据卫星推扫成像任务的机动时间、成像起始时刻与降速比例等参数计算出卫星等比降地速成像时的等效轨道初始位置;其次,根据卫星等效轨道初始位置与卫星侧摆角,通过轨道递推计算出卫星光轴实时指向的地面目标点坐标;然后,根据卫星实际的轨道位置与姿态解算出卫星指向地面目标点的实时期望姿态;最后,基于吉林一号高分04A卫星的参数对所设计方法进行数值仿真与在轨试验,结果表明了所提出的方法具有可行性与有效性。     

卫星图像运动补偿的矢量几何法

研究利用星上有效载荷扫描镜运动控制进行图像运动补偿的新方法.分析了影响三轴稳定静止轨道气象卫星成像的主要因素,研究了轨道运动对扫描镜光轴指向的影响.应用三锥相交原理,提出了利用测量估算所得轨道位置和速度信息计算补偿量的矢量几何法.数值仿真结果表明,矢量几何法能够有效补偿轨道运动对扫描镜光轴指向的影响,显著提高成像质量,精度与传统矢量坐标变换法相同,但运算量更小.     

天基空间目标监视的短弧段定轨技术

利用两个短弧段的天基测角资料实现对空间目标的轨道确定是天基空间目标监视系统需解决的重要问题之一。提出利用二体轨道的角动量和能量守恒方程计算空间目标初轨的新方法,该方法将短弧段的主要测量信息表示为弧段属性,由两个短弧段的弧段属性建立守恒方程,采用变量替换法求解守恒方程获得多个初轨,通过方差分析从中选择合适的初轨。针对轨道改进中的迭代发散和收敛于局部极小点的问题,提出了选取多个迭代初值进行轨道改进的采样方法。仿真结果表明,初轨确定算法是可行的,轨道改进能成功解算最小二乘轨道。     

电大尺寸天线罩电磁特性高效数值仿真技术

针对电大尺寸天线罩电磁特性,分析研究了快速求解表面积分方程的多层快速多极子算法及其改进技术。构造了具有良好矩阵性态的积分方程形式,提出加速迭代求解的并行预条件技术,利用分组稀疏化方式构造预条件矩阵,显著降低了迭代求解次数。采用快速球谐展开技术对聚合和配置因子项进行压缩,将其存储量降低了2/3。通过数值算例验证了方法的精确性和高效性,并实现了大型带罩阵列天线辐射特性的仿真分析。     

基于远场模式的散射体形状成像

对线性抽样法的电磁场逆散射求解进行了研究。为避免迭代和优化法的正问题求解，用积分算子将散射物边界数据映射到散射场的远场模式，针对第一类积分方程的不适定性，用Tikhonov正则化法求解，并用高阶收敛算法确定正则化参数以快速数值实现。数值计算结果表明：线性抽样法＋确定正则化参数的高阶收敛算法可较好地滤除噪声，减少了确定正则化参数的计算量。     

热变形对一种天线指向机构指向精度的影响分析

热变形对天线指向机构的指向精度具有重要影响,但利用传统的设计方法很难实现对指向精度的准确计算,尤其是热变形对指向精度影响的研究工作更是少见。为此建立了机构的三维实体热-结构耦合有限元分析模型,根据有限元分析结果并结合机构的运动链关系,构建了各关键运动副运动误差的计算方法;在此基础上实现了机构指向误差的计算,研究了运动副名义、最大以及最小配合间隙条件下,温度载荷对各关键运动副运动误差和指向精度的影响。研究结果表明,温度载荷对关键运动副的运动误差以及机构的指向精度具有重要影响,随着温度载荷偏离常温数值的增加,指向误差不断增大,名义配合间隙条件下的指向误差最大。     

一种求解X射线脉冲星导航周期模糊数的新方法

因为X射线敏感器不能分辨具体的脉冲,X射线脉冲星导航方法存在整脉冲周期模糊数问题.现有求解周期模糊数的方法过程复杂,计算量大.本文在飞行器估计位置十分精确的假设下,提出了无周期模糊数的X射线脉冲星迭代滤波导航方法.UKF滤波器基于轨道动力学给出探测器的估计位置,以脉冲到达标称位置和估计位置的时间差作为反馈,进行迭代滤波,最终得到探测器的真实位置和速度估计.仿真表明,该方法能在火星探测器的日心转移轨道上实现高精度的导航,其精度可达到位置误差5km和速度误差0.5m/s.     

一种点目标探测系统能量集中度计算方法

在点目标探测系统中,光学系统的能量集中度决定了单个像元收集到点目标能量的水平,直接影响点目标探测系统的图像信噪比。在相机设计完成后,需要对相机的能量集中度进行测试,评价相机的性能。传统方法对点目标探测系统的能量集中度计算采用"中心像元法",由于相机探测器中心位置偏移和靶标尺寸的影响,计算结果存在很大误差。文章通过建立点源靶标成像模型,分析出靶标尺寸和探测器位置对点目标像斑的影响,提出了求解点目标能量集中度的一般过程,并设计出了一种容易实现的计算方法。通过对点目标像斑进行高斯拟合,然后通过两次反卷积去除探测器位置和靶标尺寸的影响,实现了对能量集中度的求解。计算结果表明,文中提出的方法比传统方法更接近实际情况,具有工程应用价值。     

空间相机外遮光罩的非稳态温度场计算

外遮光罩的非稳态温度场,对空间相机的第一光学表面—光学窗口产生直接影响,进而影响空间相机的分辨率和成象质量。本文采用Monte—Carlo法和Brain ADI法,通过热模型的建立、空间外热流计算和合成、角系数的求解、离散热平衡方程的建立、交替方向隐式求解(Brain ADI)等步骤,对空间相机外遮光罩的非稳态温度场进行了计算,自编的通用程序软件,可以计算任一轨道位置、任一时间的外遮光罩的非稳态温度场。本文采用的理论、方法和程序,对于空间外露物体的热计算,具有一定的通用性。     

考虑摄动影响的连续推力轨道修正制导方法研究

为较好地消除在轨空间飞行器的轨道偏差,提出了一种考虑摄动影响的连续推力轨道修正制导方法。将轨道修正问题转换为二体假设条件下的兰伯特变轨问题,求解所需要的速度增量,考虑地球非球形引力、大气阻力、日月引力及太阳光压等摄动因素计算在与该速度增量等效的连续推力作用下空间飞行器的实际位置,利用实际位置与目标位置的偏差构造虚拟目标点,通过迭代计算给出连续推力轨道修正制导指令,空间飞行器接收并执行该指令进行轨道修正。仿真表明该轨道修正制导方法制导精度较高。     

空间目标三维重构误差分析与相机参数设计方法

针对空间目标三维重构任务中的相机参数设计问题,提出一套由目标重构精度反演观测相机参数及观测方案的方法。通过梳理三维重构误差传播机理,将误差传播归结为相机内参数影响特征点齐次坐标和齐次坐标影响重构精度两个过程,给出了三维重构误差计算方法。基于误差下限分析计算结果,给出了观测距离、拍照间隔与相机姿态指向等任务参数的设计原则,建立了由重构精度反演相机焦距和像素尺寸的方法,形成一套以重构精度为核心指标的观测方案和相机参数设计方法。针对模拟空间目标的仿真试验校验了重构误差估算算法及相机参数和观测方案设计方法的有效性。     

基于解析梯度的经典Lambert问题迭代求解方法

针对现有求解模型复杂、收敛速度慢等问题,在将经典Lambert转移问题转化为超越方程的基础上,提出一种基于解析梯度的Lambert问题迭代求解算法。选择转移轨道的真近点角为迭代变量,导出转移时间关于真近点角的解析梯度,构造一种基于解析梯度的牛顿迭代算法,降低了算法计算复杂度。理论分析表明该算法具有二阶以上的收敛速度。依据偏心率向量与转移轨道形状的关系,通过几何方法分析得到转移轨道在初始位置处的速度约束条件,推导转移轨道真近点角的最大值和最小值的解析表达式,并采用线性插值方法确定迭代初值,进一步提高了迭代算法的收敛速度。数学仿真结果表明在各种转移条件下算法均能快速收敛,采用所给出的初值选取方法初值确定精度高,进而能够加快收敛速度,而与较割线法相比较收敛速度快、计算量小,验证了所提出算法的有效性。     

航天器近程编队自主协同相对导航方法

针对GNSS(全球导航卫星系统)拒止环境下近圆轨道多航天器近距离编队自主协同相对导航问题,提出了利用测角相机偏离航天器质心安装时的杆臂效应和多航天器之间几何一致性约束来实现相对导航的方法。首先,在第二轨道坐标下分别建立了基于Hill Clohessy Wiltshire方程的多航天器编队相对轨道演化模型、测角相机偏离质心安装情况下的相对视线角测量模型;然后,引入多航天器之间几何约束建立了相对轨道状态的一致性约束模型,并基于该约束模型设计了一致性扩展卡尔曼滤波估计算法;接着,对所建立的相对导航模型进行了相对轨道状态的可观测性分析,得到了使相对轨道可观测的相机偏置安装条件;最后,通过数值仿真实验对所提算法进行了校验,并与一致性无约束条件下的估计算法进行了对比分析。仿真结果表明,本文所提算法的相对位置误差能够快速收敛,在5 m传感器偏置和10 -3 rad量级测角误差条件下,多航天器相对定位误差在10 m以内。     

空间交会调相特殊点变轨求解算法

空间交会调相是交会轨道控制的关键问题,本文给出了摄动条件下交会调相特殊点变轨求解算法.算法由粗求解器和细求解器组成:粗求解器中仅迭代部分设计变量,其余设计变量由Gauss型摄动运动方程解析计算;细求解器以粗求解器计算结果为初值,迭代所有设计变量获得较精确满足终端条件的解.算法简单可靠,适用于工程实际,算法的有效性得到了STK高精度轨道预报模块的验证.     

利用时域配点法的卫星相对运动周期轨道求解研究

为更精确而有效地求解卫星相对运动周期性轨道,提出了一种新的数值求解方法,该法是基于时域配点(TDC)方法研究存在J2项的非线性相对运动模型的周期解。在TDC方法中,预先将期望得到的周期解假定为傅里叶级数展开,再将傅里叶级数展开形成的近似解代入原非线性方程中,得到剩余误差函数并令其等于0,其本质是一种平衡剩余误差的方法。可通过此方法用C-W方程或T-H方程的相对运动轨道的初始条件生成边界轨道。TDC方法较一般的数值方法更精确。数值仿真表明:应用TDC方法后,能获得闭合的相对运动轨迹。研究对解决相对运动轨道维持中节省燃料和编队飞行动力学有重要的意义。     

基于实时相对测量的航天器指向跟踪控制问题研究

针对大型挠性航天器指向跟踪控制问题,提出一种期望姿态估计方法和基于反步法的姿态跟踪控制方法。首先采用平方根容积卡尔曼滤波进行相对轨道估计,利用相对位置估计信息解算出追踪航天器观测轴指向目标航天器的期望姿态。然后基于修正Rodrigues参数描述的误差姿态动力学方程设计了姿态控制器,考虑系统惯量的不确定性设计了自适应控制律。最后将该方法应用到某空间观测任务中,仿真结果表明了方法的有效性。     

月球探测器定轨误差分量协方差分析

基于测量量的数学模型,推导环月探测器状态矢量的信息阵,建立定轨误差RTN分量的误差方程和协方差矩阵,给出了测距、测速、时延和时延率的测量误差对定轨误差RTN分量影响的数值关系。根据中国探月工程实际轨道测量数据精度和测站／基线分布情况,计算分析了2种环月轨道位置速度误差RTN分量的影响因素和误差水平。利用嫦娥-1、2月球探测器实际定轨结果,验证了分析方法的有效性。该方法对中国探月工程二期任务动力下降初始定轨误差RTN分量计算具有参考意义。     

空间目标天基天文定位误差分析

空间目标的天基观测是未来空间目标监视系统的主要观测方式。天基观测 可以利用轴系定位和天文定位两种方式实现对空间目标的定位,其中天文定位方式能够达到 较高的定位精度。星载相机的姿态测量误差和目标位置提取误差都会影响空间目标的天文定 位精度。基于此,本文推导了空间目标天基天文定位的误差公式,结合一套星载相机的参数 ,采用计算机仿真的方法,研究并分析了各项误差因素对天文定位精度的影响规律。计算结 果表明,空间目标的视赤经的精度随视轴赤纬角的增大而变差,视赤纬精度水平高于视赤经 的精度水平;将空间目标成像在CCD面中心位置附近,能够得到较高的定位精度;视位置测 量精度与目标星点质心提取精度呈线性关系;就目前的硬件水平而言,视赤纬可以达到标准 偏差优于2″的水平,视赤经精度稍差。