现代卫星结构技术研究进展

正随着军用、民用领域对卫星功能、性能需求的不断提高,现代卫星对结构的精度、集成度与轻量化提出了更高的要求。通过梳理近期国内外航天领域的发展规划,调研国内外卫星结构技术在实现高精度、高集成度与轻量化方面的进展,对比国内外技术状况,分析国内在卫星结构精度主动控制技术、多领域集成设计技术、小型结构平台技术等方面的不足,为提高相关技术能力,比肩国际先进水平,提出技术发展着力点。     

资源一号带来的新技术

资源一号是一颗新型卫星,许多技术填补了我国卫星研制领域的空白,它的研制和成功运行,为我国空间技术的进步,开辟了道路。 建立了高精度、高性能的太阳同步轨道卫星公用平台 资源一号卫星公用平台能适应     

高精度霍尔电推进技术的应用与发展研究

在现代化全域通信导航的应用背景下,卫星平台所需具备的精确轨道预测与实时轨道控制能力对电推进系统的推力精度、分辨率等性能提出更高的要求,因此建设高精度的电推进系统具有非常重要的意义。通过对空间应用需求和电推进技术现状的分析,阐明了当前电推进技术的推力输出精度不足以支撑高精度连续导航、超低轨卫星实时阻力补偿以及高分辨率遥感卫星动中成像等空间任务的需求。在此基础上,以霍尔推进系统为研究对象,针对研制高精度推进系统的技术难点,从霍尔推力器技术、流量控制技术、电源及控制技术和试验验证技术四个方面阐述了国内外研究的现状,分析和探讨了关键技术的发展方向和研究思路,为高精度霍尔推进技术未来的重点研究和发展方向提出建议。     

北斗导航系统建设挑战重重

北斗导航系统非常复杂,它集导航定位双向简短数字报文通信和高精度授时于一身,还要具备一定的保密、抗干扰和抗摧毁的能力,技术上要求非常高,具有高精度测距指标难实现,高精度原子钟难研制,星座连续稳定运行难维持,产品一致性难保证,高密度发射风险大等难点。仅技术上导航卫星就涉及到偏航控制技术、高精度铷钟、二浮陀螺组件、铷钟精密热控技术、扩频应答机等12项关键技术;星座多种轨道环境复杂,卫星星座是由三种类型轨道组成的混合星座系统,每个轨道的特性都不同,特别是中圆轨道卫星的轨道辐射环境非常复杂,因此,整个系统建设充满着挑战。     

海洋-2卫星及其应用

海洋－2卫星是我国首颗用于海洋动力环境探测的卫星,于2011年8月成功发射,2012年3月正式投入使用。该卫星工程研制突破了高精度有效载荷、精密测定轨等关键技术,在多个技术领域达到国际先进水平,实现了高观测精度、高测定轨精度、星地激光高速数据传输、关键部件自主研制、航天器数字集成设计等五大能力提升。经过在轨验证,海洋－2卫星和星载设备工作稳定,各项功能和性能满足研制总要求,整体达到国际先进水平,其观测数据有效填补了国际同类微波遥感卫星数据的不足,在全球对地观测体系中发挥着重要作用。     

基于在轨温度测量数据的整星结构尺寸稳定性分析

针对高精度测绘卫星结构尺寸稳定性这一关键性问题，基于在轨温度测量数据，利用热分析模型和在轨温度变化规律，提出了卫星结构在轨温度场的反演方法。基于卫星结构在轨温度场反演数据，提出了针对载荷安装面法向夹角的拟合计算方法和夹角稳定性短期、长期指标的预示方法。根据该方法，给出了高分七号卫星在轨初期1个月内的结构稳定短期指标和长期指标预示结果，并对短期稳定性预示结果进行了统计分析。结果表明，各载荷安装面短期稳定性分析结果满足指标要求，相关分析方法可为同类航天器的结构热变形分析提供参考。     

重力卫星高精度测距系统观测量的降速率滤波算法

在卫星时频传递、矢量测量技术领域，有效观测数据的高精度滤波处理十分重要，其基本要求是在保留有效观测信息的同时能够降低噪声干扰，实现原始信息的高效、高精度传递。以中国地球重力场测量卫星高精度测距系统的工程研制为背景，为实现高频噪声抑制、保留低频重力场信息，基于对FIR滤波器结构的优化和窗函数的改进，提出了一种对10 Hz采样率的原始测距数据降速率、降噪滤波的算法。相比其他类似算法，所提方法同时具备降速滤波和差分运算两种功能，噪声抑制抑制度优于44%，且频率截止特性陡峭，第一旁瓣抑制度达到–94 dB。该算法在提高测距精度、充分保留重力场信息的同时，实现了地面数据后处理流程的简化，为微波测量系统、激光测量系统的数据处理提供了一种优选方案。     

无污染炸药索分离技术

随着我国宇航事业迅速发展,为了提高有效载荷重量和适应有效载荷的尺寸需要,卫星整流罩直径、长度亦相应增大,结构重量增加。现代飞行器的发展广泛应用太阳能电池或高精度的光学仪器、由此对运载火箭卫星整流罩分离系统提出新的越来越高的要求。为实现我国科学技术现代化,促进宇航技术的发展,迫切的任务需要研制一种可靠性高,能减轻结构重量,既防止污染飞行器而且能充分利用卫星整流罩有效空间的新型无污染炸药索分离装置。     

地球静止卫星电推进轨道保持策略优化

针对电推力器控制弧段长、传统轨道保持计算常用的脉冲假设不能适用的问题,提出了静止卫星轨道保持的平运动动力学模型和长期控制策略优化方法。由于轨道保持控制的是平均轨道要素,文章提出了一种基于春分点轨道要素的高精度平根外推动力学模型,与STK-HPOP模型比对高度吻合;提出了综合考虑轨道东西和南北控制的耦合控制优化模型,设计了基于序列二次规划的优化求解方法。仿真算例中研究了二推力器配置的静止卫星4周轨道保持问题,仿真结果表明,该方法可以优化长期轨道保持控制策略。     

中国星载微波辐射计地面定标技术的研究进展

综述了中国微波辐射计地面定标技术的发展历程和研究成果。详细介绍了中国风云三号气象卫星热真空定标总体技术方案,以及近期在微波波段宽带定标源优化设计和研制、发射率测量技术、实验室定标与热真空定标方法及亮温传递系统不确定度分析方面取得的研究成果。对未来需要开展研究的定标技术做了初步分析。     

用于定位星座选择的组合计数算法设计

研究了卫星定位系统接收机中的数据处理技术。首先针对定位星座的优选进行了阐述，指出星座优选实质上为一组合优化问题；在深入分析的基础上，设计了一种基于ｍ序列的组合计数算法，利用该算法进行了仿真计算，并分析了所得结果；最后给出了结论。     

航天器桁架结构拓扑优化设计

对带有附加结构的卫星主桁架结构进行了拓扑优化设计。优化的目的是在满足结构柔度和基频约束条件下使结构体积(结构质量)最小。对优化时可能存在的重频优化问题,采用半定规划法建立了结构优化模型,该方法可回避重频情况下敏度分析所带来的困难,对有无重频问题均适用。对附加结构的刚度及质量对拓扑优化结果的影响进行了讨论,并进行了多方案设计和比较。对桁架结构拓扑优化中常见的次元问题进行了分组处理,在满足卫星力学性能指标前提下,大幅度降低了桁架结构的质量,获得了工程适用的结构设计方案。     

引入多Agent协商的协同优化在卫星设计中的应用

卫星设计是复杂的多学科优化问题,协同优化算法具有模块化特点适合于处理多学科优化问题。在对卫星进行多学科优化时发现,现有的协同优化算法为了保证共享变量在系统级和分系统级间的一致性,收敛困难,计算量大,不对分系统自身进行优化不能保证卫星整体性能最优。本文通过引入Agent概念和基于Agent的协商算法,提出了一种基于劝说式多Agent协商的协同优化设计算法。针对对地观测卫星,以总质量最小为目标,建立了包含结构、轨道控制、姿态控制和电源4个分系统Agent和1个系统级Agent的卫星优化设计模型并进行了协同优化设计。研究结果表明:引入Agent协商算法的协同优化算法,可以保证共享变量的一致性;在协同优化算法中增加分系统自身优化模块,可以保证在系统级优化过程中各分系统一直都是最优的。      

遥感卫星总体参数设计的建模与协同优化

针对遥感卫星的总体参数设计问题,建立以卫星覆盖幅宽、地面分辨率和总重综合的指标为目标的优化问题,考虑卫星的控制(GNC,Guidance, Navigation and Control)、电源、结构和热控(TCS,Thermal Control System)分系统的分析模型并整理其中的耦合关系,以协同优化(CO,Collaborative Optimization)方法为框架建立多学科设计优化(MDO,Multidisciplinary Design Optimization)模型并用罚函数法求解,获得了协同一致且性能提升的结果.验证了所建模型的合理性和MDO方法应用于卫星总体参数设计优化的有效性.各分系统的模型及求解方法可为MDO方法的工程化应用研究提供参考.     

基于多模型最优融合的双星定位系统一体化精密定轨方法

针对卫星动力学模型复杂且不准,考虑到卫星定轨中待估参数在时间和空间上的相关性,提出了一种基于多模型最优融合的双星定位系统一体化参数建模的近地卫星精密定轨新方法.利用节点自由分布B样条描述卫星运动,实现了对卫星粗略动力学模型的抑制作用;同时结合双星观测模型,使该方法转化为关于求解卫星轨道样条表示参数和定轨系统误差的多模型融合的非线性优化问题;通过引入模型结构确定最优融合权值的选取准则,在最小二乘准则下,采用非线性最优化方法搜寻样条的最优节点分布,得到了待估参数的最优估计,完成了近地卫星的精密定轨.理论分析和仿真计算表明,该方法确实有效,不仅提高了卫星的定轨精度,而且使状态估计的结构更加稳定.      

An optimization tool for satellite equipment layout

Selection of the satellite equipment layout with performance constraints is a complex task which can be viewed as a constrained multi-objective optimization and a multiple criteria decision making problem. The layout design of a satellite cabin involves the process of locating the required equipment in a limited space, thereby satisfying various behavioral constraints of the interior and exterior environments. The layout optimization of satellite cabin in this paper includes the C.G. offset, the moments of inertia and the space debris impact risk of the system, of which the impact risk index is developed to quantify the risk to a satellite cabin of coming into contact with space debris. In this paper an optimization tool for the integration of CAD software as well as the optimization algorithms is presented, which is developed to automatically find solutions for a three-dimensional layout of equipment in satellite. The effectiveness of the tool is also demonstrated by applying to the layout optimization of a satellite platform.     

卫星多源信息贝叶斯融合方法研究

卫星在研制设计过程中存在大量不确定性因素,对卫星的可靠性及性能造成直接影响。如何实现复杂卫星系统的不确定性建模是目前亟需解决的问题,而多源分布信息融合是不确定性建模的关键。此外,在实际系统中,由于时间、成本的约束很难直接获得系统的分布信息。针对在系统信息缺失情况下如何实现卫星系统的多源信息融合问题,提出多层系统结构模块化与系统信息合成的方法。通过系统结构的分解,将已知的低层级信息与高层级信息进行融合,进而采用诱导推断的方式使得系统节点从“无信息”至“有信息”。通过某卫星姿态控制系统算例分析得到,提出的方法能充分利用系统结构关系,有效融合并更新各个组件、子系统的分布信息,解决了系统信息缺失的问题,为进一步开展卫星系统不确定性设计优化提供参考。     

卫星天线复合材料框架的铺层优化设计

为了改善卫星天线复合材料框架的结构动力学性能,提出了一种针对卫星天线框架复合材料铺层的两阶段优化设计方法。阶段Ⅰ以各铺层的角度为设计变量进行铺层顺序优化,框架基频的最大化为优化目标,铺层数的最大值为约束条件。其中设计变量用一种多进制码来表示,并将多进制码映射为连续变量,应用粒子群优化(PSO)算法对阶段Ⅰ优化模型进行求解。在阶段Ⅰ优化结果的基础上,阶段Ⅱ主要是优化复合材料的层数,以基频最大化与质量最小化为优化目标建立多目标拓扑优化模型,应用第2代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行求解。为了验证该方法的有效性,对某大型卫星天线复合材料框架进行优化设计,结果表明:该方法能有效地减小天线板复合材料框架的质量,并提高基频。