无轨道动力学模型的增强型GPS实时星间相对定位方法

虽然基于卫星轨道动力学模型的增强型GPS实时星间相对定位可获得厘米级精度,但通常在一般条件下难以获取高精度轨道动力学模型.本文提出了一种无轨道动力学模型条件下的高精度实时相对定位方法,即利用GPS三差观测方程获得状态矢量的时间转移矩阵,采用自适应UKF(Unsented Kalman Filter,无迹卡尔曼滤波器)实时估计星间相对位置.仿真结果表明,相比传统的序贯点估计方法分米级的相对定位精度,新方法在星间距离小于5 km时,其相对定位精度可达厘米量级.     

超静平台动力学建模与解耦控制

以超静平台在未来高精度航天器主动隔振和精确指向控制中的应用为基础,针对柔性铰形式超静平台的动力学特点以及超静平台基础和载荷扰动作用的影响,建立一般形式的超静平台动力学模型;进一步推导解耦力控制方法,将超静平台由高度耦合的多输入多输出系统变为单输入单输出线性时不变系统,以此消除各支杆之间的相互作用,极大地简化了控制器设计;在此基础上,进行数值仿真分析与验证.仿真结果表明:基于所建立的一般形式超静平台动力学模型,采用解耦力控制方法能够很好地实现超静平台的主动振动控制,并且方法简单易于工程实现.     

一种模型误差鲁棒的卫星姿态确定方法

提出一种结合非线性预测滤波和二阶插值滤波实现基于星光/陀螺的高精度姿态确定的新算法.该算法用非线性预测滤波估计模型误差,再对补偿后的模型用高精度的二阶插值滤波来估计姿态参数.解决了在卫星实际运行中难以获得姿态确定系统的精确动力学模型,采用传统EKF(Extended Kalman Filter)将模型误差作为零均值白噪声处理,导致滤波精度降低甚至发散的问题.同时,二阶插值滤波将非线性模型按照二阶近似,无需计算函数偏导数,得到高精度的卫星姿态估计.仿真验证了该方法能有效地实时估计并补偿模型误差,提高了姿态估计的精度,且估计精度受滤波周期的影响不大,从而验证了算法的鲁棒性和有效性.      

月球着陆器着陆安全分析方法

月球着陆器软着陆地点选择及安全着陆实现是探月二期的关键问题.采用不考虑着陆器着陆过程中发动机控制、着陆姿态控制和动力学性能,在计算机上依据低精度月面数据和已有月面典型地形特征分布/形状模型仿真生成高精度着陆区域;根据着陆器的结构尺寸和着陆安全要求对每个安全参数进行计算、比较、判断得到单次着陆安全性,利用蒙特卡洛方法计算多次在仿真地形上的着陆安全概率.试验结果表明:采用这种方法时,着陆器的结构尺寸相同分析结果才有意义.在计算机上仿真生成着陆区域、设置着陆器结构尺寸和安全参数,使其可以用于地面系统的仿真实验,也可在月面软着陆过程中实时分析选定区域的着陆安全概率.     

空间对接机构差动式缓冲系统运动特性分析

在分析异体同构周边式对接机构差动式缓冲系统传动、缓冲原理的基础上,利用高性能的图形工作站(SGI),以动力学仿真软件ADAMS为平台,建立了对接机构缓冲系统实时可视化数字样机模型,进行运动学仿真,分析机构的运动特性,给出仿真结果.     

高空气球热力学模型与上升过程仿真分析

基于对高空气球热力学环境的分析,建立了热力学与动力学耦合的高空气球动力学模型;并采用该模型对某高空气球的上升与驻留过程进行仿真分析.结果表明:高空气球上升过程中内部氦气存在"超冷"现象,其中平流层区域"超冷"明显,氦气平均温差为-19 K;由于"超冷",其上升速度曲线呈双"V"形变化;强太阳辐射与弱对流环境使驻留过程中氦气呈现"超热"现象,平衡时氦气平均温度比环境温度高39 K,球内氦气超压648.8 Pa.数值仿真的速度、平均温度变化规律与相关飞行试验数据相吻合,说明该仿真模型是有效的.      

基于空间分层组合设计的火箭落点实时计算模型

为保证航天发射任务航区安全，实现火箭落点的高精度实时快速计算，提出一种基于空间分层的数学模型，对落点计算几何模型与动力学模型进行组合设计.该模型将弹道空间分层为自由段和再入段，自由段采用地球扁率修正的落点计算几何椭圆模型，而再入段采用考虑了空气阻力的动力学模型，并加入地球摄动及旋转等因素的修正.经与实际落点数据对比验证，该模型实现了精度和效率的最佳融合，能够满足航天发射任务火箭落点高精度、快实时的计算要求.      

航空母舰液压拦阻系统拦阻力建模与仿真

以国内外普遍使用的某型航空母舰液压拦阻系统为研究对象,从其组成和工作原理出发.针对产生拦阻力的主要元器件,根据液压系统的传动基本理论建立了液压拦阻系统的拦阻器系统和滑轮缓冲系统的数学模型.利用该模型结合舰载机着舰动力学模型和拦阻索动力学模型进行了拦阻动力学的数值仿真,对比了仿真值与试验值的区别,分析计算了某型舰载机以不同重量、速度着舰的拦阻动力学过程.验证了滑轮缓冲系统能有效减缓拦阻索张力,且通过改变控制阀口通油面积可以实现不同质量飞机在基本相同的距离上实现安全拦阻,说明模型的合理性.     

基于等效动力学原理的垂向失重运动实现方法

针对航天器高精度地面微重力仿真试验实现难题,提出了一种基于等效动力学原理的垂向失重运动实现方法。通过对该实现方法的原理分析,指出了该方法实现高精度垂向失重运动模拟的等效动力学条件及其适用条件,并分析了基于该实现方法的模拟器构型要求。对模拟误差精度进行仿真分析,结果显示其失重运动模拟精度可达99%,满足高精度微重力仿真试验的要求。     

对卫星柔性对接补加一体化机构建模与设计

阐述了一种弱撞击交会条件的对接补加一体化机构.在机构设计上采用柔性杆实现软连接,刚性周边杆实现纠偏和刚性锁紧,阻尼装置吸收对接碰撞能量,并采用可浮动的气/液耦合和电气接口进一步实现高精度的气/液/电路连接.采用拉格朗日分析力学建立飞行器多体动力学模型,利用模态叠加法对碰撞过程柔性部件的变形进行描述,从而建立飞行器柔性对接动力学模型.多工况动力学仿真试验表面所设计的对接补加一体化机构可在0.25 m/s弱撞击速度范围,20 mm横向对接容差以及±5°角度容差范围内实现可靠对接.对接补加一体化装置完成样机研制,并在直线运动平台上完成对接性能和电路连接的多次试验,在专用补加系统上完成接口密封性和模拟推进剂传输试验.     

基于内部总线的控制系统体系结构

控制系统是卫星平台的关键分系统.由于各卫星总体任务的不同,各卫星对控制系统的要求也不断变化,使得控制系统的配置随着任务的不同而发生较大变化,对控制系统的体系结构产生较大的影响.对目前控制系统体系结构的特点进行分析,提出基于内部总线的控制系统体系结构以适应不断变化的配置需求,并进行可行性分析.分析结果表明这种体系结构有利于系统的配置变化和带宽的提高,能满足不同平台任务的需要.     

基于代码自动生成的空间交会GNC系统仿真平台

空间交会对接GNC系统涉及目标器和追踪器两个航天器的姿态轨道控制,其数学仿真比一般的卫星更复杂.给出一种轨道动力学、姿态动力学、相对动力学、测量及执行部件等仿真模型的规范化方法,并在此基础上,提出一套基于代码自动生成技术的空间交会对接GNC仿真平台,该平台的模块化和自动化程度高、软件的可读性和通用性强,实现了两个航天器的快速规范化仿真,显著提高了研究人员的工作效率,为空间交会GNC系统的设计和仿真提供了良好的支持.     

基于G2的卫星控制系统故障诊断的半物理仿真

研究一种基于G2的集故障注入、故障模拟和故障诊断为一体的半物理仿真系统,包括基于VxW orks的实时硬件模拟系统、星载姿轨控计算机、数管及遥控遥测模拟器和专用接口箱等.开发了基于G2的以某一类典型卫星控制系统为对象的故障诊断专家系统,并对G2外部接口进行了扩展设计.最后,以典型故障为例,在半物理仿真平台上进行了演示验证.     

CAST968平台小卫星在轨故障分析和建议

统计CAST968平台从2000年至2014年在轨发生的142次故障,分析发现故障性质、故障原因、故障产品类别、故障时间和故障分系统等都存在明显的规律性.对决定卫星成败的姿态轨道控制分系统进行故障原因、故障单机和故障产品类别三个方面的统计分析,总结出设计、环境和器材是导致姿轨控分系统故障的三大重要因素.简要分析其他分系统,最后给出故障预防和设计建议,包括加强抗辐照设计、关键单机和电路的冗余设计等.     

Drag balance Cubesat attitude motion effects on in-situ thermosphere density measurements

The dynamics of Cubesats carrying a drag balance instrument (DBI) for in situ atmosphere density measurements is analyzed. Atmospheric drag force is measured by the displacement of two light plates exposed to the incoming particle flow. This system is well suited for a distributed sensor network in orbit, to get simultaneous in situ local (non orbit averaged) measurements in multiple positions and orbit heights, contributing to the development and validation of global atmosphere models. The implementation of the DBI leads to orbit normal pointing spinning two body system. The use of a spin-magnetic attitude control system is suggested, based only on magnetometer readings, contributing to making the system simple, inexpensive, and reliable. It is shown, by an averaging technique, that this system provides for orbit normal spin axis pointing. The effect of the coupling between the attitude dynamics and the DBI is evaluated, analyzing its frequency content and showing that no frequency components arise, affecting the DBI performance. The analysis is confirmed by Monte Carlo numerical simulation results.     

Integrated orbit and attitude hardware-in-the-loop simulations for autonomous satellite formation flying

Development and experiment of an integrated orbit and attitude hardware-in-the-loop (HIL) simulator for autonomous satellite formation flying are presented. The integrated simulator system consists of an orbit HIL simulator for orbit determination and control, and an attitude HIL simulator for attitude determination and control. The integrated simulator involves four processes (orbit determination, orbit control, attitude determination, and attitude control), which interact with each other in the same way as actual flight processes do. Orbit determination is conducted by a relative navigation algorithm using double-difference GPS measurements based on the extended Kalman filter (EKF). Orbit control is performed by a state-dependent Riccati equation (SDRE) technique that is utilized as a nonlinear controller for the formation control problem. Attitude is determined from an attitude heading reference system (AHRS) sensor, and a proportional-derivative (PD) feedback controller is used to control the attitude HIL simulator using three momentum wheel assemblies. Integrated orbit and attitude simulations are performed for a formation reconfiguration scenario. By performing the four processes adequately, the desired formation reconfiguration from a baseline of 500–1000 m was achieved with meter-level position error and millimeter-level relative position navigation. This HIL simulation demonstrates the performance of the integrated HIL simulator and the feasibility of the applied algorithms in a real-time environment. Furthermore, the integrated HIL simulator system developed in the current study can be used as a ground-based testing environment to reproduce possible actual satellite formation operations.     

高分七号卫星高精度控制技术与验证

高分七号卫星（GF-7）控制系统，一方面通过研制甚高精度星敏感器和高平稳度翼板驱动机构（SADA），提高部件性能指标；另一方面采用在轨参数标定、星地闭环补偿等控制技术，进一步提高系统性能。经飞行验证表明，控制系统实现了角秒级姿态测量精度，稳定度达到10-5(°)/s量级，与同类型测绘卫星控制系统比较，姿态测量精度和稳定度均达到中国领先、国际先进的水平，使中国遥感测绘卫星控制能力得到了大幅提升。最后展望了GF-7卫星控制分系统进一步提高控制精度的发展方向。     

基于同步仿真的卫星姿轨控软件验证方法

传统的仿真系统一般采用Matlab/Simulink进行建模,Simulink模型可以在仿真环境下模拟真实环境下的系统架构和动态数据交互,也可以动态模拟真实目标机的运行。在Simulink建模体系对目标机系统的仿真中,其自身的时钟步长和数据流处理逻辑,可能与真实物理环境要求的系统有一定的出入,不能完全模拟目标机的内部ALU逻辑和真实外围设备工作行为,从而造成一定程度的失真,影响仿真效果。提出了基于同步仿真的卫星姿轨控软件验证方法,包含虚拟目标机能够实现对真实物理目标机运行功能的完全模拟,结合协同仿真组件和Simulink模型对各个子系统单元的动态建模仿真,全面验证软件的功能,增加了卫星控制软件的可靠性和安全性。     

基于观测器的平台无陀螺姿态复合控制

针对超静卫星星体平台无陀螺、载荷敏感器与星体平台执行机构非共基准安装时整星存在姿态异位控制问题,提出了一种基于观测器估计星体平台姿态的复合控制方法。首先,建立星体平台/Stewart平台/载荷的动力学模型,并获得Stewart平台作动器关节空间的等效动力学模型。针对关节空间等效模型,设计super twisting观测器,以作动器平动位移为输入,以载荷和星体平台之间的相对姿态和角速度为输出,实现星体平台姿态和角速度估计。其次,以载荷测量姿态信息为输入,设计Stewart作动器的积分滑模控制律,实现载荷高精度指向控制。以观测器估计的星体平台姿态信息为输入,设计星体平台控制器实现星体平台的稳定控制。Lyapunov稳定性分析表明所设计的观测器和控制器能够保证闭环系统渐近稳定。数学仿真结果表明：在星体平台有陀螺时,载荷能够实现0.1″指向精度;在星体平台无陀螺时,采用观测器估计星体平台姿态并进行控制,载荷亦可实现0.1″指向精度。     

基于X射线脉冲星的深空探测器自主导航方案

X射线脉冲星自主导航系统可以为深空探测器提供位置、速度、时间和姿态等丰富且自主的导航信息,以X射线脉冲星测得的信息作为量测量,结合轨道动力学方程,对航天器的轨道进行自主估计确定。论文阐述了该方案的导航原理,在借鉴现有航天器导航系统的基础上,提出了基于X射线脉冲星导航的方案,介绍了方案的硬件组成、系统结构,并针对方案中导航敏感器多冗余的特征,给出了基于多传感器组合导航技术的结构,最后用仿真资料对方案做了性能概算和精度估计。