Evaluation and improvement of coastal GNSS reflectometry sea level variations from existing GNSS stations in Taiwan

Global sea level rise due to an increasingly warmer climate has begun to induce hazards, adversely affecting the lives and properties of people residing in low-lying coastal regions and islands. Therefore, it is important to monitor and understand variations in coastal sea level covering offshore regions. Signal-to-noise ratio (SNR) data of Global Navigation Satellite System (GNSS) have been successfully used to robustly derive sea level heights (SLHs). In Taiwan, there are a number of continuously operating GNSS stations, not originally installed for sea level monitoring. They were established in harbors or near coastal regions for monitoring land motion. This study utilizes existing SNR data from three GNSS stations (Kaohsiung, Suao, and TaiCOAST) in Taiwan to compute SLHs with two methods, namely, Lomb–Scargle Periodogram (LSP)-only, and LSP aided with tidal harmonic analysis developed in this study. The results of both methods are compared with co-located or nearby tide gauge records. Due to the poor quality of SNR data, the worst accuracy of SLHs derived from traditional LSP-only method exceeds 1?m at the TaiCOAST station. With our procedure, the standard deviations (STDs) of difference between GNSS-derived SLHs and tide gauge records in Kaohsiung and Suao stations decreased to 10?cm and the results show excellent agreement with tide gauge derived relative sea level records, with STD of differences of 7?cm and correlation coefficient of 0.96. In addition, the absolute GNSS-R sea level trend in Kaohsiung during 2006–2011 agrees well with that derived from satellite altimetry. We conclude that the coastal GNSS stations in Taiwan have the potential of monitoring absolute coastal sea level change accurately when our proposed methodology is used.     

超精密微牛级微波离子推进技术及其在卫星超精度控制中的应用研究

空间技术的快速发展使得利用空间卫星的编队飞行构建大型空间星座成为可能，在引力波探测、射电望远镜编队、星座组网等任务方面具有重要作用。超精度控制是实现卫星高精度编队飞行的关键技术。推进系统是实现卫星编队长期高度稳定飞行的保证，从而实现内部科学装置的正确运行。不同于常规的推进系统，卫星精密编队超精度控制对推进系统的推力可调范围、分辨率、响应时间、推力的一致性等有着极高的要求。根据卫星精密编队任务需求，对微牛级推进系统的功能及技术要求进行了分析，提出了基于M2微波离子推力器的卫星超精度控制推进系统。阐述了M2超精密微牛级推进系统的关键技术和研究进展，为后续M2推力器在无拖曳控制方面的应用奠定了基础。     

静止轨道卫星通信链路的预算与分析

星地链路计算作为卫星通信的重要技术，是卫星通信系统设计的基础和理论依据，直接决定了卫星通信系统的链路通信质量。由于影响卫星链路的因素很多，设计中存在一处不合理即使得整条星地链路不可用，造成巨大的损失。而且在实际设计中无法做到最理想的链路状态，往往需要在某方面有所取舍，这也是链路计算中的一大难点。基于目前国际通用的链路计算方法，将星地链路上下行拆分，独立计算，综合分析，再结合实际工程经验，分析和计算实际工程案例，针对不同的链路配置给出相应合理的设计方法，可作为静止轨道通信卫星星地链路计算分析的参考。     

单推力航天器交会对接轨迹规划及跟踪控制

针对单推力航天器交会对接问题，提出一种轨迹规划及跟踪算法。首先，考虑到追踪航天器只沿本体X轴安装推力器，且推力方向固定，为了实现从起始位置转移至期望位置并满足姿态要求，基于三维螺旋线设计两阶段转移轨迹，根据初末位置以及末端速度方向要求，求解螺旋线参数。该螺旋线可以保证在初末速度方向固定情况下，曲率积分最小。其次，为了降低轨迹跟踪难度并减小初始时刻的位置跟踪控制力，需要将转移轨迹初始速度与追踪星X轴重合。传统螺旋线无法满足该约束条件。本文对传统螺旋线进行改进，提出一种旋转螺旋线轨迹设计方法。通过引入姿态旋转矩阵，将螺旋线在三维空间旋转，在不改变曲线形状的前提下满足初末位置及速度方向要求。然后，为了跟踪转移轨迹以及跟踪期望推力方向，提出基于CLF（Control Lyapunov Function）的滑模控制策略，当追踪星X轴与期望推力方向夹角较大时，采用CLF，保证最优性；当姿态误差收敛至滑模面附近时，切换为滑模控制，以提升系统鲁棒性。最后，通过仿真验证旋转螺旋线相比于传统螺旋线的优势。     

Wrinkling analysis for small solar-photon sails: An experimental and analytic approach for trajectory design

A good model of solar-radiation pressure induced thrust is one of the key points in sailcraft trajectory design. The sail membrane’s local topographic deformations, i.e. wrinkles and creases, are among the main aspects that such a model should include. We have analyzed the influence of wrinkles/creases, as a whole, by measuring the related deformations on small samples of sail membrane, 2.5?μm thick, consisting of CP1 and physical-vapor-deposition Aluminum. Experimental outcomes from our laboratory facility have been processed, statistically investigated, and inserted into the lightness vector formalism. We have used such formalism for accurate sailcraft trajectory computation via a non-ideal reflection sail thrust model. Finally, we computed the deviations of wrinkled-sail sailcraft final orbital states with respect to the no-wrinkle sail final orbital ones for a circular to circular 2D inward transfer. The radii of the orbits are 1?AU and the semi-major axis of Mercury, respectively. It appears that sail wrinkles and creases are no longer negligible in the sailcraft trajectory design.     

基于NFTET的高超声速飞行器鲁棒轨迹重构设计

考虑高超声速飞行器故障下安全再入飞行问题，针对飞行器发生较大故障的情况，提出了基于相邻可行轨迹存在定理(Neighboring feasible trajectory existence theorem,NFTET)的鲁棒在线轨迹重构算法。在标称情况下基于反馈线性化预测校正制导算法生成满足各种约束条件的再入轨迹；由于NFTET只适用于发生较小故障的情况，为保证较大故障下飞行器仍能以较高精度安全着陆，基于NFTET理论设计了鲁棒轨迹重构算法，得到了较高落点精度的飞行轨迹。仿真结果表明，本文所提出算法能有效解决飞行器较大故障下的安全再入轨迹重构问题，提高了飞行器的自主容错能力。     

旋转弹气动力建模与飞行轨迹仿真

运用一种自回归滑动平均(ARMA)的时域气动力建模方法,以计算流体力学与刚体动力学(CFD/RBD)耦合仿真的输出结果为样本,对旋转弹的非定常气动力进行建模。利用建立的气动力模型与刚体动力学方程求解模块耦合,实现了旋转弹轨迹的快速仿真,并讨论了不同的建模方式对仿真精度的影响。算例结果表明:采用气动力模型与刚体动力学方程耦合仿真技术可以在不同初始发射条件下进行旋转弹飞行姿态与运动轨迹预测,且与CFD/RBD仿真结果吻合较好,证明ARMA气动力建模方法可以在保证旋转弹轨迹预测精度的同时大幅缩短仿真时间,节省计算资源。     

基于预置动压的高超声速飞行器上升段轨迹设计

针对高超声速飞行器燃料最省上升轨迹的研究问题,为实现高超声速飞行器的燃料最省上升轨迹快速求解,对定动压情况下高超声速飞行器上升段轨迹特性进行了研究分析,给出了定动压情况下高超声速飞行器燃料最省上升轨迹的快速反解方法,总结分析了不同定动压下的上升轨迹特性,并在此研究的基础上提出了基于预置动压的高超声速飞行器上升段轨迹设计方法。该方法可以通过设计燃料最省的动压曲线,反解出该预置动压下的上升轨迹参数,得到一条近似燃料最省最优解的轨迹。仿真结果表明,经过解算得到的上升轨迹结果与高斯伪谱法得到的最优上升轨迹结果基本相似。     

永磁约束电子束轨迹实验研究

通过设计并运用一种直流电子束轨迹简易测量方法,开展了永磁约束电子束轨迹实验研究,得到了永磁铁环对60~80 ke V电子束约束作用的实验数据。结果表明:该测量方法方便有效,结果较为准确;永磁铁对电子束聚焦作用明显,并呈现出一定的规律性。对永磁铁约束电子束研究工作奠定了基础。     

多飞行器动态目标追踪协同控制研究

多飞行器追踪动态目标是一个协同控制问题,需要根据目标飞行状态,协同各个追踪飞行器的飞行状态,最终能够在某动态的最佳点实现同时到达。考虑到目标具有较强的机动性,轨迹通常为非线性的,设计了一种基于非线性轨迹预测的、以剩余时间为控制变量的一致性控制方案。仿真结果表明,提出的控制方案能够实现空间位置相距较远的多飞行器动态追踪,具有较好的灵活性和收敛性,目标轨迹的预测结果与实际轨迹误差较小,恰当的轨迹估计有助于缩短追踪时间,提高追踪效率。