Orbit determination of BDS-3 satellite based on regional ground tracking station and inter-satellite link observations

The BeiDou global navigation satellite system (BDS-3) has established the Ka-band inter-satellite link (ISL) to realize a two-way ranging function between satellites, which provides a new observation technology for the orbit determination of BDS-3 satellites. Therefore, this study presents a BDS satellite orbit determination model based on ground tracking station (GTS) observations and ISL ranging observations firstly to analyze the impact of the ISL ranging observations on the orbit determination of BDS-3 satellites. Subsequently, considering the data fusion processing, the variance component estimation (VCE) algorithm is applied to the parameter estimation process of the satellite orbit determination. Finally, using the measured data from China’s regional GTS observations and BDS-3 ISL ranging observations, the effects of ISL ranging observations on the orbit determination accuracy of BDS-3 satellites are analyzed. Moreover, the impact of the VCE algorithm on the fusion data processing is evaluated from the aspects of orbit determination accuracy, Ka-band hardware delay parameter stability, and ISL ranging observation residuals. The results show that for China’s regional GTSs, the addition of BDS-3 ISL ranging observations can significantly improve the orbit determination accuracy of BDS-3 satellites. The observed orbit determination accuracy of satellite radial component is improved from 48 cm to 4.1 cm. In addition, when the initial weight ratio between GTS observations and ISL ranging observations is not appropriate, the various indicators which include orbit determination accuracy, ISL hardware delay, and ISL observation residuals were observed to have improved after the adjustment of the VCE algorithm. These results validate the effectiveness of the VCE algorithm for the fusion data processing of the GTS observations and ISL ranging observations.     

利用地月间空间站的载人登月飞行模式分析

为提高空间站利用率，降低载人登月任务成本，有效开发地月空间，研究了基于地月空间不同轨道空间站的载人登月飞行模式。首先对比直接往返登月飞行模式，对基于空间站的载人登月飞行模式进行任务分析，通过空间站将载人登月任务解耦为载人天地往返任务和登月任务两部分；其次通过轨道设计和稳定性分析提出考虑登月任务需求的地月间空间站可运行轨道和停泊点；最后建立一套飞行模式评价模型，从速度增量需求、飞行时间、空间环境、登月任务窗口、测控条件、交会对接技术难度、后续任务支持性和任务可靠性方面对6种不同位置空间站的登月飞行模式进行分析和定量评价。评价结果表明基于L2点Halo轨道空间站的载人登月飞行模式为更优飞行模式。     

SSPS-OMEGA超大型球形聚光器结构拓扑构型与设计

为同时兼顾千米量级尺度空间太阳能电站聚光系统的在轨发射安装难度、光学收集效率、稳定性及结构工艺等多方面的因素，提出采用基于球面正多面体的经纬线划分法模块化构建球形聚光器。该方法不仅可实现基础划分单元分布均匀、规格种类少，降低在轨构建与运载发射难度。而且只要合理控制弧高等分数和基础划分单元的口径就可以同时保证聚光系统的光学收集效率。理论与仿真结果显示，当弧高等分数为24时，该划分法共有25种基础单元件，整个球面被分成5762块。并且此时模块化构建的实际球形聚光器的光学收集效率与理想球面相比基本保持不变，解决了太阳能电站聚光系统设计中存在的关键问题。     

空间太阳能电站统一调度设计及电能管理分析

针对多旋转关节空间太阳能电站(Space Solar Power Station, SSPS)，提出一种环形拓扑的电力系统架构。基于功率分层准则对SSPS电力拓扑架构进行设计，提出U1~U7共7个层级、母线电压5000V、功率等级为MW的太阳能电站电力系统。针对分层架构中多太阳电池阵子阵并联(U6层)，提出分层功率平衡统一控制策略，对MPPT控制、MPPT控制+稳定直流母线电压混合控制、MPPT算法+下垂稳定直流母线电压混合控制三种控制方法开展仿真分析。结果表明，提出的基于虚拟阻抗的下垂控制策略可以有效调节、分配功率，解决了空间发电站母线电压无法稳定的问题。     

对空间碎片近距随遇悬停的控制方法及悬停燃耗分析

对空间碎片检视或抓捕操控中的悬停控制及燃耗问题进行了研究。通过C W方程，建立任务星近距随遇定点悬停控制模型，通过设计状态反馈控制器分析定点悬停的可控性以及推控要求，结果表明近距悬停需要与悬停位置相关的两个正交方向上的常值连续推力控制量，以及用于抵抗扰动的三轴向上的反馈变推力控制量。分析了近距随遇悬停的推控分系统配置，建立了长时近距随遇悬停的燃耗及燃耗速率的数学模型，最后分析了既满足安全距离需求、又满足悬停方位需求的最小悬停燃耗模型。     

锚固站数量及布局对导航星座自主定轨影响分析

针对导航星座自主定轨中的星座整体旋转问题,采用增设少量地面锚固站的方法可有效解决该问题。通过推导星地距离对卫星轨道升交点赤经的偏导数,证明了星地距离对卫星轨道升交点赤经可观。仅考虑在我国大陆范围内布设锚固站的条件下,仿真分析了锚固站数量以及布局对导航星座自主定轨精度的影响。仿真实验结果表明:采用3个以上的锚固站,即可有效控制星座整体旋转,在14d的仿真时段内卫星自主定轨精度保持4m以内;锚固站数量越多,自主定轨精度越高,但随着锚固站数量的增加,自主定轨精度改善程度越来越小;在保持4个锚固站的情形下,采用不同的锚固站布局方案,自主定轨精度并无明显差别。     

空间站空间因特网与空间通信链路设计

为改善在空间站长期值守的航天员的业务生活,提出建立空间站网吧,为航天员提供因特网服务的构想。为此分析研究空间站空间因特网服务系统及其关键技术,提出空间站空间因特网服务系统构建方案。结合这一系统构建方案,一是研究解决了支持复杂异构网络运行的空间因特网网络协议设计技术,空间站空间因特网直接采用TCP/IP协议,并通过系统设计,较好地克服了TCP/IP协议不能适应空间通信链路的难题,支持采用基于TCP/IP协议的商用货架(COTS)软、硬件产品,可明显降低空间站空间因特网服务系统建设与维护成本;二是研究解决了涉及空间站测控通信网运行安全和空间信息安全的空间通信链路设计技术,空间站在同一条空间通信链路同时传输空间因特网数据和空间站测控通信数据,空间通信链路采用CCSDS的AOS协议,并通过建立虚拟的物理信道,解决了空间因特网数据和空间站测控通信数据的安全隔离问题,能满足空间站测控通信网运行安全和空间信息安全的要求。     

基于TEC的空间站末端回路温控系统建模及其热力学性能分析

针对空间站中间回路温度波动过大,高温时导致科学载荷工作温度超出允许范围的问题,设计了一种基于热电制冷器(TEC)的末端单向流体回路温控系统。该系统包含一个TEC温控模块,当中间回路温度过高,末端回路冷却功率不足时,该模块可提供额外的制冷量,降低流入冷板的工质温度,形成针对科学载荷的相对低温区域,恢复回路的冷却能力。分别建立了温控系统数学模型与数值仿真模型,并完成了热负载扰动、中间回路温度扰动、末端回路流量扰动和并联支路热扰动等4种扰动对系统热力学特性影响的仿真分析,验证了TEC模块的温控性能。结果表明:在科学载荷发热功率增加30%、中间回路的温度升高5K、末端回路流量减小至0.0015kg/s等多种工况下,所设计的温控系统能够将载荷温度控制在1K以内,实现科学载荷精确温控。      

飞机变形自动化测量方法研究

为解决以往飞机变形测量模式中人工干预较多,受测量环境影响较大,测量时间长等问题,基于Geo COM技术和RS232,在计算机与全站仪之间进行数据交换,设计了一套自动化测量系统。在测量过程中由标志点的机体理论坐标反算其在当前测站中的极坐标,从而在测量过程中驱动全站仪指向待测点,减少人工瞄准时间,并由计算机实时解算结果数据。经实际飞行试验验证表明,测量时间缩短为原来时间一半,大大提高了工作效率。     

内外分区空间统一精度场建立方法研究

针对内外分区空间内结构和设备安装的数字化测量需求,研究内外参考点之间的关联技术,构建与外测量精度场相统一的内测量精度场。对于内外空间不同的开口数,利用多测点定位法、二测点和水平仪单站位定位法、二测点和水平仪双站位定位法等方法建立内精度场,实现与外精度场的统一。以某型设备为例进行试验表明,利用内外精度场测量同一检测点进行比较,测量的最大不一致误差为0.14 mm,证明构建模式可行、简单、可靠。