小卫星偏心分离动力学仿真模型的建立与验证

针对筒式偏心分离问题,以单星分离为例,基于多体动力学理论对小卫星分离过程动力学问题进行了仿真分析。分别对平动副约束简化模型和物理模型进行了探讨;论述了小卫星的偏心分离过程与地面模拟试验过程之间的对应比拟关系,对地面模拟试验的有效性进行了评估;依据地面试验结果,对比地面与空间零重力环境条件下小卫星分离时的运动特性,讨论了仿真模型的正确性,并分析了该类筒式偏心分离过程的力学现象与机理。     

筒式偏心在轨分离角速度抑制方法

筒式偏心在轨分离是一类特殊的在轨分离问题,小卫星偏心安装而产生的分离力矩将导致分离角速度,进而影响小卫星的分离指向精度,甚至导致释放平台姿态失稳。而常规的姿态大角速度机动、姿态快速稳定控制方法难以在小卫星出筒前的极短时间内完成分离角速度抑制。因此,进行了卫星筒式偏心在轨分离动力学分析,基于分离角速度的产生,提出了抑制分离姿态干扰的前馈控制力矩法和角速度预偏置法。在此基础上,推导了关键控制参数的近似计算公式,给出了控制量的优化求解方法,并分析了控制干扰因素对抑制结果的影响。最后,通过仿真算例分析,对比验证了两种抑制方法的有效性,并给出了其工程应用的建议。     

卫星筒式偏心在轨分离动力学分析

偏心安装的子卫星在轨分离是一类特殊的卫星在轨分离问题。为了给分离地面试验和分离系统设计提供依据,在惯性参考系中分析了筒式偏心在轨分离问题的运动特性。以刚体运动学原理和动力学动量定理、角动量定理及能量定理为依据,建立了分离过程的动力学模型。运用数值求解方法,给出了不同初始条件下的模型求解算例,并对求解结果进行了比较和分析。分析结果表明,分离弹簧物性参数是影响分离速度的主要因素;卫星相对安装位置是影响分离角速度的主要因素。     

伪卫星共视法时间同步模型及其精度分析

时间同步技术是伪卫星系统设计的关键技术之一。根据卫星共视法时间同步原理,得出影响共视法时间同步模型精度的各项残差,进而对各项残差做深入分析。采用网格模型对共视法中电离层延迟残差进行分析,得出伪卫星相距的方向、距离以及用来共视的卫星高度角对电离层延迟残差的影响。采用Hopfield模型对对流层延迟残差进行分析,得出高度角对对流层残差项的影响,并进行仿真分析。     

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。     

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。     

利用DORIS测轨系统实现高精度定轨

仿真研究DORIS测轨系统,重点考察了大气密度模型误差、测量精度、测轨网分布对定轨精度的影响。仿真结果表明,除了测轨网的地理分布,动力学模型中的大气模型误差对中低轨卫星精密定轨结果影响也较大。对ENVISAT卫星的DORIS实测数据进行了定轨分析,结果表明实测数据的定轨精度比仿真精度大约低1个量级不到。综合仿真结果和实测数据进行精度分析,推断对800km高度的太阳卫星轨道,采用8个DORIS信标站布设,24h定轨,定轨三维位置精度可以达到29cm(1σ),其中径向误差为3.4cm(1σ)。若采用30个DORIS信标站布设,定轨精度可提高30%。     

基于改进SST模型的分离流动数值模拟

对SST湍流模型进行了改进,并通过对典型分离流动进行数值模拟,来检验和提高模型预测分离流动的能力.基于亚声速分离流动,提出了提高雷诺应力的模拟精度和分离流修正的改进方法,并进行了对比研究得出结论;在亚声速分离流动分析结论基础上,采用了可压缩性修正方法,开展了跨声速、超声速和高超声速激波/边界层干扰分离流动的数值模拟研究.结果表明:提高雷诺应力的模拟精度和采用分离流修正明显地提高了SST湍流模型对分离流动的模拟能力;适当地可压缩性修正对超声速和高超声速分离流动的计算精度有改善作用.     

几种电离层模型折射修正效果检验

航天工程任务对航天器外弹道测量数据的精度需求不断提高,电离层折射误差已成为影响航天高精度测量的主要误差源之一。目前国际上基于多种观测数据建立了多种电离层模型,由于模型使用的数据和算法不同而有不同的修正精度。通过分析国内外常用的Klobuchar(克罗布歇)模型、国际参考电离层模型和中国参考电离层模型的特点,利用3个电离层模型对S频段多颗在轨卫星50多跟踪圈次的实测外测数据进行修正,以星载GPS(Global Positioning System,全球定位系统)数据获取的精密星历经过坐标变换、测站与卫星的几何关系计算可得到测站到卫星的距离,将其作为标准值,采用微波辐射计修正对流层折射误差后对3个电离层模型的修正结果进行比较检验,结果表明中国参考电离层模型在中国区域的修正结果优于其他2个模型,可为航天测控实时修正提供参考。     

一种大椭圆轨道卫星星历预报方法

针对大偏心率轨道长时间星历预报,稠密输出星历的低效率问题,提出了一种新的星历预报方法。该方法通过建立卫星摄动力模型,对卫星运动方程进行数值积分来获取卫星星历。该方法的轨道积分器以标准的8阶Adams-Cowell多步法为基础,针对大偏心率轨道的特性,在一个轨道周期的不同时段内采用不同的积分步长,同时引入了用于生成小间隔等间距卫星星历的插值公式。该方法降低了卫星运动方程右函数的计算次数,尤其适用于需要稠密输出卫星星历的情况。以STK(Satellite Tool Kit,卫星工具包)的HPOP(High Precision Orbit Propagator,高精度轨道预报)模型为验证基准,通过数学仿真校验了该方法的有效性和精度。算例表明,该方法在预报精度损失很小的情况下,计算时间远小于标准的多步法和HPOP模型。     

双星定位系统及其备份星在近地卫星联合定轨建模中的应用

建立了基于双星定位系统距离和观测数据的近地卫星联合定轨模型,设计了相应的数值融合联合定轨算法;为进一步提高近地卫星定轨精度,考虑融合双星及备份星距离和观测数据,建立了基于双星和备份星的近地卫星联合定轨模型及实现算法,并针对不同仿真条件进行了联合定轨仿真实验。仿真计算结果表明,联合定轨方式较传统近地卫星精密定轨方式可以更好地抑制双星星历误差对近地卫星定轨精度的影响,近地卫星和双星的定轨精度均得到了一定程度的提高;同时,融合备份星观测数据的近地卫星联合定轨精度得到进一步改善,达到5.17m。     

北斗GEO卫星南北控制对半长轴影响分析

在北斗GEO（Geostationary Earth Orbit，地球静止轨道）卫星南北控制期间，陀螺漂移、姿态控制、轨道平面变化等因素都会对卫星轨道半长轴产生影响，进而影响卫星星下点经度漂移，而在实际工程中难以提前准确预估南北控制对半长轴的影响。根据GEO卫星南北控制特点，分析了各因素对半长轴影响的原因，通过影响因素剥离的方法建立了各因素对半长轴影响的模型，利用在轨GEO卫星历次南北控制的实际数据，验证了模型的准确性并给出了各个因素的影响量级。结果表明，该模型可使得南北控制对半长轴影响的预测精度达到1 km以内，可用于北斗GEO卫星南北控制时半长轴补偿控制。     

一种基于信道模拟的测速精度评估方法

为了评估单向多普勒测速动态测量精度,构建了一种基于卫星信道模拟器的测速精度评估系统,通过在卫星信道模拟器装订卫星飞行轨迹,利用卫星信道模拟器对上行信号加入传播时延、多普勒频率,对卫星在轨飞行状态下的单向多普勒测速进行场景仿真,并对场景仿真获取的测速数据进行O-C残差序列分析,得到动态测量条件下的测速精度。给出了O-C残差序列的计算方法,分析了单向多普勒测速体制下时钟偏差对测速结果的影响,并给出了一种简单的时钟误差修正方法。     

预警卫星对战术弹道导弹预警的一种模型

建立了预警卫星系统对战术弹道导弹 ( TBM)弹道进行预警的一种数学模型 ,其中包括预警卫星系统信息库的信息模型 ;用预警卫星探测信息确定 TBM坐标的模型 ;确定 TBM发射时刻及发射点坐标的模型 ;确定关机点及对应的关机点弹道参数模型 ;计算预警弹道及落点的模型等。同时对信息库中信息模型的精度、计算发射点坐标及发射时刻模型的精度、计算关机点时刻及参数的精度进行了分析 ,得出了有一定理论意义和工程应用价值的结论     

小卫星及其测控

本文扼要介绍了目前世界各国小卫星的发展现状,分析了小卫星的特点、发展机遇及潜在应用。接着介绍了小卫星的发射,并对小卫星作了评价。最后,较深入地分析了小卫星测控特点,及其对通用航天测控网的影响。     

地球卫星星光折射导航量测量及其性能对比

星光折射天文导航是一种重要的地球卫星自主导航方式,量测量是影响其导航精度的重要因素。在地球卫星星光折射导航中,折射视高度、星光折射角、折射星像素坐标（折射星矢量）是3种常用的量测量,结合星光折射导航的基本原理重点介绍了这3种量测量的获取方法和量测模型,通过仿真和可观性分析比较了相同条件下3种量测量的导航性能。仿真结果表明,由于折射星像素坐标可以同时反映星光折射的大小和方向可观性高,而星光折射角和折射视高度仅能反映星光折射的大小,无法反映其方向可观性低,因此折射星像素坐标的导航性能优于星光折射角和折射视高度。此外,本文也对星敏感器精度、卫星轨道高度、星敏感器安装夹角3种因素对3种方法导航性能的影响进行了分析。     

中继卫星星间天线指向误差传播率研究

基于中继卫星星间天线对用户航天器的跟踪规律,建立了准确的误差传递模型,并对分析结果进行了仿真验证。文中首先定义了误差传递模型所需的各类坐标系;然后使用微分方法分别建立了中继卫星轨道误差传递模型、中继卫星姿态误差传递模型,分析了滚动角、俯仰角和偏航角与指向精度之间的关系,以及位置保持控制对指向精度的影响;最后借助于STK软件的轨道计算功能,使用蒙特卡罗方法进行数学仿真,仿真结果验证了误差传递模型的准确性。     

三轴稳定式卫星的热特性研究

热特性研究是卫星热控制系统、红外辐射特性研究、红外隐身设计的基础和重要组成部分。建立卫星运行轨道计算模型,获得不同时刻卫星三维坐标及轨道高度。根据太阳、卫星、地球三者位置关系,建立三轴稳定式卫星空间热流计算模型。综合考虑空间热流、向外辐射、内部热载荷等因素,对卫星进行传热分析计算,获得各时刻卫星各面温度分布。分析了太阳吸收系数和卫星内部热载荷对表面温度分布的影响。研究结果表明:卫星在地球阴影区各面温度明显降低;除了散热面,太阳吸收系数对卫星表面温度影响显著;可以根据散热面大致地判断卫星运行状况。     

低雷诺数下翼面局部振动增升机理研究

采用计算流体力学(CFD)方法研究低雷诺数下翼面局部振动对翼型气动特性及其流动特征的影响规律。建立局部振动激励的力学模型,并采用任意拉格朗日-欧拉坐标系下的特征线有限元(ALE-CBS)方法对局部振动激励下翼型绕流问题进行模拟,分析局部振动对非定常流动演化的影响规律,揭示其增升机理。研究结果表明:翼面局部变形的增加会有效降低翼型上表面的前缘压力;非定常流动分离中旋涡之间的距离及其演化频率与振动频率的关系是影响翼型翼面局部振动增升效果的重要因素。当流场主频率与振动频率相同,次要频率为主频率的2倍,即发生锁频时,翼面振动产生的移动分离泡能够使分离区从主流获取更多的能量,使翼型上表面保持较低的压力,有效提高翼型升力。     

轻型高精度卫星的变结构姿态控制器

针对某些小卫星高指向精度和高稳定精度的姿态控制要求,设计了能克服反作用轮转速过零扰动的变结构姿态控制器,并对反作用轮转速过零时低速摩擦对卫星姿态产生扰动的机理进行了分析,建立了仿真用反作用轮低速摩擦动力学模型。同 PID控制器相比,该变结构姿态控制器能有效抑制反作用轮的低速摩擦影响,并具有良好的鲁棒性。数学仿真进一步证明了该变结构姿态控制器的有效性,其指向精度和稳定精度分别可达 0.3°和 0.0 0 1°/