概念设计集成系统与星座方案探索

进一步研究了快速方案选择和概念设计新方法.结合概念设计过程,给出星座方案选择和卫星概念设计的基本模型,在方案探索和概念设计中集成了风险和不确定性分析;应用系统综合设计优化平台(SDOF)开发卫星星座概念设计集成系统,实现卫星星座方案探索优选;集成系统交互、演进、分布式协同设计,可自动运行优化过程,同时可监视和控制设计任务单元运行状况,优化完成后用户可定制设计报告内容和格式;最后介绍了对地观测卫星星座概念设计实例,采用多岛遗传算法进行优化,初步验证了该系统在技术原理上的可行性.      

GNSS遥感探测卫星星座设计

随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）掩星大气探测技术的兴起，GNSS遥感探测数据在气象数据资源中逐步占据重要地位，但是目前的掩星探测数量远不能满足数值天气预报等应用的需求，未来更需要充分利用GNSS信号资源，开展更大规模的GNSS掩星卫星星座探测.本文以世界气象组织发布的大气海洋数据需求为参考，提出新一代GNSS遥感探测星座任务需求与设计约束.在理想大气模型假设下，利用几何解析方法研究了探测卫星星座构型参数对探测性能的影响，并建立了新一代GNSS遥感探测卫星星座设计基本准则.以风云卫星为子星座，给出了星座规模同为40颗的三种GNSS遥感探测微纳卫星星座设计方案.研究结果表明，具备该规模的探测星座可满足数值天气预报等气象应用的最低数据需求，三种构型方案中，由高、中、低倾角三组Walker子星座与风云卫星子星座组建的GNSS遥感探测星座探测性能最优.      

利用近地点磁场探测数据确定卫星自旋轴参数

阐述了利用近地点磁场探测数据确定卫星自旋轴参数的理论方法和实施步骤,并说明了这种研究对卫星运行和科学探测的重要性.特别强调了需要注意的基本条件,即卫星必须自旋稳定且近地点不很高(1000 km以下).这种方法关键的步骤是,根据卫星轨道数据定出模型磁场数值,比较近地点星载磁强计探测数据和近地点地磁模型数值确定卫星自旋轴的指向.通过对TC-1和TC-2卫星姿态的具体计算,对确定精度和应用效果进行了分析和比较.结果表明,在实际的卫星应用过程中此方法和措施非常有效,在科学分析和将来的卫星运行工程中具有重要的应用意义.      

基于坐标系转换与QTM编码的天球面探测覆盖栅格化分析方法研究

提出一种基于坐标系转换与QTM编码的天球面探测覆盖栅格化分析方法,并对其计算精度和效率进行了实验分析,相比传统算法和经纬网格编码方法,该方法具有明显的效率和精度优势,能够满足以天球面为探测目标的空间科学卫星有效载荷探测覆盖分析和任务规划的需要.      

磁层顶位置的卫星观测

本文用了自1963年到1979年卫星穿越磁层顶的1024个观测资料计算了向阳侧磁层顶椭球面的参数。企图从这些资料得出星际磁场和太阳风热压强对向阳侧磁层顶位置和形状的影响大小。但数值计算和理论分析都表明,目前所具有的观测资料的精度不足以获得星际磁场和太阳风热压强影响的数值。本文分析了各种因素所造成的在计算该椭球面参数时的不确定性。进而提出了对进一步工作的建议。该椭球面的平均大小、形状和方位的观测值与理论预计值是非常一致的。      

一种实现光学隐身的卫星构型设计

目前对地球同步轨道(GEO)空间目标的探测和识别,主要依赖光学监视系统接收其反射的太阳光线.鉴于可见光反射原理,和空间目标可见光反射特性计算模型,提出光学隐身卫星设计策略,分别对卫星平台构型、太阳能帆板、半球形遮光罩进行设计,对整星外形进行仿真分析,最后提出分布式卫星的构想.结果表明,该卫星构型光学横截面积峰值达到0.082 m~2,该构型设计具有较高的隐蔽性,不易被光学监视系统探测识别.     

直升机概念设计中的部件参数化

为了满足直升机概念设计阶段对方案快速建模的要求,在面向对象技术的基础上提出了直升机概念设计阶段部件的建模分类方法,并且建立了一个计算机辅助直升机概念设计系统.应用非均匀有理B样条NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)曲面和基于特征的部件造型技术,实现了各种型式直升机方案的参数化建模.其中结合设计参数提出了旋翼的桨叶、桨尖、桨毂以及整流罩的描述参数,并对涵道尾桨进行了分段造型处理.最后给出了该系统中生成的两个设计方案作为实例以验证所提出方法的便捷性和有效性,这些方法也为进行设计方案的性能分析和优化等后续工作奠定了基础.      

多点磁场协同探测反演电离层电流密度

相对于传统的单点磁场探测,多点磁场协同探测可以同时获得各测点磁场,消除探测磁场随时间的变化,能更好地计算空间电流密度.根据由多点磁场反演计算空间电流密度的计算方法,开展数值仿真,分析卫星编队数量、卫星编队构型、卫星定位偏差、卫星姿态测量误差、磁场测量误差、外部磁场强度及外部电流密度等对电流反演误差的影响.仿真结果表明,5星编队优于4星编队.在5星编队条件下,卫星姿态测量误差、卫星编队构型和外部磁场强度是反演误差的主要来源.根据仿真结果,当卫星姿态误差为0.001°,卫星编队尺度约为100km时,赤道区域电流密度的反演相对误差约为24%.      

一类线性不确定大系统的分散变结构控制

研究了具有参数摄动、关联影响和外界干扰等不确定性因素影响的线性大系统的分散控制问题,在假设系统不确定性有界且满足一定匹配条件的前提下,提出了一种分散变结构滑模控制算法,并给出了消颤方案和控制受限的解决方法.该算法结构简单计算量小,同时闭环系统具有较好的动态特性和较强的鲁棒性,数字仿真表明了该算法的有效性.      

基于蚁群算法的卫星磁力矩器反馈参数设计

卫星姿态控制系统参数设计中,引入不确定性的部件误差模型可以提高系统模型的精度。针对传统优化算法处理随机因素的能力不强的情况,提出了基于蚁群算法的参数优化设计方法;并将该方法应用在某型号偏置动量轮小卫星的磁力矩器反馈控制参数设计中。与Powell方法对比,蚁群算法的寻优过程有明显的收敛趋势,这表明蚁群算法相对于传统优化算法鲁棒性好、处理随机因素能力强,可以应用在考虑随机因素的参数优化设计中。     

基于线性协方差方法的交会对接误差分析

将线性协方差分析方法和蒙特卡罗仿真相结合,按交会任务和飞行特征把交会过程分为变轨飞行、自由飞行和中途速度修正三种特征段,研究了状态误差的传播规律和交会过程中各种误差对交会对接精度的影响。在变轨飞行段,分析了追踪航天器的姿态误差、控制系统性能状态估计误差,以及目标航天器轨道摄动对状态误差传播的影响。在自由飞行段,分析了追踪航天器估计状态误差的先验值和测轨误差对状态误差传播的影响。在中途速度修正段,分析了追踪航天器姿态误差和控制系统性能误差对状态误差传播的影响。仿真结果表明,误差分析方法设计合理,可以指导交会对接的轨道设计工作,能对已经设计好的交会策略进行误差分析和设计验证。     

Drag coefficient modeling for grace using Direct Simulation Monte Carlo

Drag coefficient is a major source of uncertainty in predicting the orbit of a satellite in low Earth orbit (LEO). Computational methods like the Test Particle Monte Carlo (TPMC) and Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) are important tools in accurately computing physical drag coefficients. However, the methods are computationally expensive and cannot be employed real time. Therefore, modeling of the physical drag coefficient is required. This work presents a technique of developing parameterized drag coefficients models using the DSMC method. The technique is validated by developing a model for the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite. Results show that drag coefficients computed using the developed model for GRACE agree to within 1% with those computed using DSMC.     

考虑分布参数依赖的风险混合不确定性分析方法

在定量化风险评估中,针对变量分布参数存在依赖时的混合不确定性传播问题,提出一种考虑分布参数完全依赖、部分依赖以及独立传播情形的双层混合不确定性刻画与传播框架,内外层分布参数不确定性分别用概率分布与可能性分布刻画,采用蒙特卡罗模拟法与模糊扩展原则相结合的数值求解方法。针对认知不确定性分布参数依赖性,构建了统一的认知不确定性分布参数依赖性模型,并给出依赖性系数的概念。为实现认知不确定性分布参数独立性采样,设计了基于D-S证据理论与随机集相结合的不确定性传播算法,相比于概率刻画下的双层蒙特卡罗方法,计算代价有效降低。以某型氢氧发动机贮箱共底漏气率为算例,验证本文方法的有效性与可行性。     

基于动态故障树的卫星可靠性分析

针对卫星系统的可靠性问题，提出了一种基于动态故障树的卫星可靠性分析方法。采用马尔可夫链和二元决策图相结合的分析方法，建立卫星的电源、姿轨控和推进3个分系统的动态故障树模型，在此基础上得到卫星的随机故障模型，并综合考虑损耗故障建立卫星可靠性模型。利用蒙特卡洛仿真对随机故障模型进行评估分析，并将其与Weibull分布模型进行性能比较，仿真结果表明该方法能够有效分析卫星的随机故障，具有计算精度高、效率高的优点，并能更有效地模拟卫星部件随机故障的动态行为。     

Advanced ensemble modeling method for space object state prediction accounting for uncertainty in atmospheric density

For objects in the low Earth orbit region, uncertainty in atmospheric density estimation is an important source of orbit prediction error, which is critical for space traffic management activities such as the satellite conjunction analysis. This paper investigates the evolution of orbit error distribution in the presence of atmospheric density uncertainties, which are modeled using probabilistic machine learning techniques. The recently proposed “HASDM-ML,” “CHAMP-ML,” and “MSIS-UQ” machine learning models for density estimation (Licata and Mehta, 2022b; Licata et al., 2022b) are used in this work. The investigation is convoluted because of the spatial and temporal correlation of the atmospheric density values. We develop several Monte Carlo methods, each capturing a different spatiotemporal density correlation, to study the effects of density uncertainty on orbit uncertainty propagation. However, Monte Carlo analysis is computationally expensive, so a faster method based on the Kalman filtering technique for orbit uncertainty propagation is also explored. It is difficult to translate the uncertainty in atmospheric density to the uncertainty in orbital states under a standard extended Kalman filter or unscented Kalman filter framework. This work uses the so-called “consider covariance sigma point (CCSP)” filter that can account for the density uncertainties during orbit propagation. As a test-bed for validation purposes, a comparison between CCSP and Monte Carlo methods of orbit uncertainty propagation is carried out. Finally, using the HASDM-ML, CHAMP-ML, and MSIS-UQ density models, we propose an ensemble approach for orbit uncertainty quantification for four different space weather conditions.     

基于光纤双环网的高精度时频同步技术研究

本文介绍了一种基于光纤双环网的时频同步技术设计方法,针对时频设备协同使用时如何获得高精度同步指标这一问题提出了一种设计思路。以系统时间源使用北斗/GPS/GLONASS,本系统同步精度优于5E-13,频率稳定度优于5E-13@1d;以UTC(BIRMM)输出的TOD+1PPS做系统时间源,本系统同步精度优于4E-13,频率稳定度优于6E-14@1d。本方案提出的方法原理简单,系统可根据使用情况进行裁剪,相比卫星双向等手段成本低廉,适合在时频同步领域推广。     

大气密度变化对卫星返回轨道参数的影响

本文在考虑大气密度(90km高度以下) 随地理纬度、高度及时间(月份)随机变化的基础上,沿卫星的返回轨道建立了随机大气密度的统计模型。并应用该模型产生的随机大气密度样本,进行返回轨道的Monte Corlo法模拟计算。通过对模拟计算得到的返回轨道参数样本的统计处理,本文分析了大气密度变化对卫星返回轨道参数的影响。另外,本文还介绍了近似估计大气密度变化对返回轨道参数影响的影响系数法。     

随机多导体传输线电磁辐射的统计分析

针对含随机参数的互连线缆电磁辐射计算问题，提出了一种基于混沌多项式展开和偶极子近似法的多导体传输线电磁辐射统计分析方法。利用正交多项式的性质对随机多导体传输线方程进行展开，结合边界条件求解得到传输线沿线电流，利用偶极子近似法和镜像法计算传输线电流引起的总辐射。仿真结果验证了所提方法的准确性，与传统的蒙特卡罗方法相比，计算效率得到大幅度提高。所提方法对于预测系统内含随机参数的线缆辐射场，评估线缆电磁辐射和检验系统性能指标，有一定的参考价值。      

可变绳长绳系卫星系统的一种简单张力控制策略

为了简化绳系卫星系统(TSS)的控制,对已有的设计方法进行了改进,提出了一种新的控制律设计方法。根据TSS的动力学方程构造线性自治系统,对释放、滞留和回收过程做统一处理,由线性自治系统的稳定理论导出线性反馈控制律,并对控制参数的取值进行了讨论;然后针对回收过程,通过设计平衡点参数得到了一种分段回收控制方案。仿真算例表明,文中采用的设计方法对于圆轨道和近圆轨道TSS的释放、滞留和回收过程都有较好的适应性。     

一种基于小波相关滤波的无线电干涉测量处理方法

针对深空探测中干涉测量微弱信号相关处理问题,提出了一种基于小波滤波的无线电干涉测量方法。首先,在小波相关滤波算法分析的基础上,提出了基于移位相关、逆序处理以及最高层小波系数阈值处理的改进算法;其次,分析并构建了深空探测宽带信号模型,并给出了基于小波相关滤波的无线电测量方案;最后通过蒙特卡洛仿真和实测数据处理证明小波相关滤波可以改善无线电干涉测量精度,其中同步卫星群时延估计精度改善约10%。