火星表面热环境对航天器热控影响分析

火星大气对太阳辐射产生吸收和散射作用，同时还将与火星表面航天器发生对流换热。热设计时难以直接评估对流、辐射和导热三种换热对航天器的影响，从而确定主要的控温途径。在调研火星表面辐射、大气等热环境的基础上，从线性化传热系数和对流辐射比的角度对比分析了辐射、对流和导热对航天器的影响。器表辐射传热系数随光学属性和温度的变化范围为0.3～1.4W/(m2·℃)，对流传热系数随风速变化为0.2～1.5W/(m2·℃)，器内导热传热系数可控制在0.25W/(m2·℃)以下。结果表明，太阳辐射较火星表面和天空辐射而言是主要外热源，航天器表面的辐射和对流换热为两条并联换热途径，两者均可成为主要换热途径，器内导热传热是控制航天器内外隔热的主要可控因素。     

Solar sailing in realistic mode,based on a locally-optimal control laws

Ballistic design of solar sailing missions in the solar system is composed of defining the design parameters, the control programs, and the trajectories that provide performance goals of a flight. The use of a solar sail spacecraft imposes specific restrictions on mission parameters that include the degradation limit on the flight duration, the maximum temperature of solar sail's surface, the minimum distance from the Sun, the maximum angular velocity of the spacecraft's rotation and others.Many authors considered the impact of these restrictions on the design of the mission separately, but they used a sophisticated method of finding the exact optimal motion control or applied the most straightforward laws of motion control. This paper uses local-optimal control laws at the complete mathematical models of motion and functioning of solar sail spacecraft to describe a technique of designing interplanetary missions. The described method avoids the need to obtain an accurate optimal solution to the control problem and does not cause significant computational difficulties.     

轨控大干扰下的系统角动量管理

摘要： 针对利用角动量交换装置系统实现轨控期间姿态维持的情况，研究当轨控推力器存在大力矩扰动时系统角动量管理方法.结合对地运行航天器轨道运动特性，分析轨控干扰力矩的积累角动量变化规律；考虑角动量管理装置系统的角动量存贮容量，基于角动量积累规律提出了一种结合偏置角动量建立与对称分布轨控位置选择的系统角动量管理方法，实现了对称轨控位置积累角动量互相抵消的自平衡效果，极大程度地提高轨控效率且避免系统角动量饱和现象.所提出的方法适用于喷气欠驱动控制系统，方法的有效性通过了数学仿真验证及在轨型号应用.     

基于双滤波器的高精度目标跟踪估计方法

针对连续推力的合作航天器，采用双重无迹卡尔曼滤波(DUKF)算法估计其状态和加速度。通过状态滤波器和参数滤波器的配合，提升滤波精度，完成运动状态和参数的估计，从而实现合作目标的运动轨迹跟踪。与合作航天器相比，非合作航天器存在大小未知、发生时刻未知的机动，无法获得加速度，且信息获取和运动状态的估计难度大。针对非合作航天器，基于简化的相对运动方程，结合天基平台获得目标的观测信息，采用两个扩展卡尔曼滤波(EKF)及基于半正焦弦的机动检测策略实现多未知脉冲机动的运动状态的估计。仿真结果表明：相比于无迹卡尔曼滤波（UKF），DUKF在对合作航天器的状态和加速度估计方面具有更快的收敛速度和更高的滤波精度；对于存在未知机动的非合作航天器，通过对比验证机动检测策略与滤波器切换策略相结合的方法的有效性，该方法能够检测到多次机动并且减少误判。     

航天器内带电效应的微弱电流监测技术

航天器的内带电效应是影响其在轨稳定运行的重要因素。内带电效应的电流监测可以直接获得一手的内带电效应监测数据,也可获得反映引起内带电效应的高能电子充电环境的状态。针对近地中高地球轨道环境,基于国外电流监测数据并考虑可能遭遇的高能电子暴环境,分析获得了内带电效应电流的测量范围10 fA～500 pA。针对未来中高轨及木星、火星等深空探测任务内带电监测需求,提出了一种微弱电流监测方案,实现了pA级微弱电流测量模块的实验室模拟标定。标定结果表明,在10 fA～500 pA范围内,输入电流与输出测量电压之间的线性度较好。     

基于3D Zernike矩的巡检器与空间站的相对导航算法

针对航天器相对导航问题，以空间站表面为"特殊地形"，提出一种基于大型航天器表面巡检的相对导航算法。首先，运用巡检飞行器上的TOF （Time of Flight）相机测量空间站表面局部点云数据，以该点云数据为实时图，以空间站表面先验点云数据为基准图。然后，利用3D Zernike矩与三维地形间的一一对应关系，将三维地形匹配转化为基于3D Zernike矩的特征向量匹配。在此基础上求解实时图与匹配上的基准图间的相对位置、相对姿态，从而确定两航天器间的相对导航参数，并通过实验分析了匹配精度及速度的主要影响因素。最后，将该相对导航参数与惯性系统推算的相对导航参数在扩展卡尔曼滤波器的框架下实现信息融合，估计了巡检飞行器与空间站间的相对位置、相对姿态，实验结果表明，相对位置精度优于0.002 m，相对姿态精度优于0.1°。     

基于深度学习的组合体航天器模型预测控制

利用模型预测算法先预测控制结果后控制的类人行为特点，借助深度学习在多参数寻优上的优势，提出了一种基于卷积神经网络的模型预测控制算法，满足航天工程低硬件需求，实现组合航天器多场景下姿态控制律的重构。该算法首先利用模型预测控制将组合航天器从初始状态控制到预期状态，然后将控制过程中状态量用于3层3核卷积神经网络的训练，训练完成后，用该卷积神经网络代替模型预测对组合航天器进行控制，从而降低计算资源需求。仿真校验表明：该算法可预测5个控制周期内的控制参数，相比传统模型预测算法所需硬件计算时间降低约5倍，在一般硬件环境下30 s内即可完成各场景下的组合航天器姿态控制，控制精度在10 -4 量级。     

基于在轨组装维护的模块化深空探测器技术进展与应用研究

在轨组装与维护是航天器在轨服务技术的基本内容,而模块化设计则是实现航天器在轨组装与维护的一项主要支撑技术。调研总结了国外深空探测领域模块化航天器设计以及在轨组装与在轨维护实施的技术进展,主要包括模块化地外行星着陆探测器、大型在轨组装深空探测器、布置于SEL2(Sun-Earth Libration 2)等轨道的超大型在轨组装空间望远镜系统等,分析了深空探测器领域应用模块化设计实现在轨组装与维护的关键技术要素。针对深空探测航天器长寿命、高可靠、特殊推进系统及其设备配套等技术特点与需求,提出一种应用在轨组装与维护技术的火星多任务探测器系统设想,介绍了探测器系统的任务架构、基本组成、轨道策略等,为我国深空探测技术发展以及新型深空探测器研制提供参考。     

Dynamics and control of spacecraft hovering using the geomagnetic Lorentz force

To achieve hovering, a spacecraft thrusts continuously to induce an equilibrium state at a desired position. Due to the constraints on the quantity of propellant onboard, long-time hovering around low-Earth orbits (LEO) is hardly achievable using traditional chemical propulsion. The Lorentz force, acting on an electrostatically charged spacecraft as it moves through a planetary magnetic field, provides a new propellantless method for orbital maneuvers. This paper investigates the feasibility of using the induced Lorentz force as an auxiliary means of propulsion for spacecraft hovering. Assuming that the Earth’s magnetic field is a dipole that rotates with the Earth, a dynamical model that characterizes the relative motion of Lorentz spacecraft is derived to analyze the required open-loop control acceleration for hovering. Based on this dynamical model, we first present the hovering configurations that could achieve propellantless hovering and the corresponding required specific charge of a Lorentz spacecraft. For other configurations, optimal open-loop control laws that minimize the control energy consumption are designed. Likewise, the optimal trajectories of required specific charge and control acceleration are both presented. The effect of orbital inclination on the expenditure of control energy is also analyzed. Further, we also develop a closed-loop control approach for propellantless hovering. Numerical results prove the validity of proposed control methods for hovering and show that hovering around low-Earth orbits would be achievable if the required specific charge of a Lorentz spacecraft becomes feasible in the future. Typically, hovering radially several kilometers above a target in LEO requires specific charges on the order of 0.1 C/kg.