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.     

基于LSTM的空间机器人系统惯性张量在轨辨识

在空间机器人抓捕目标的过程中，整个系统的惯性张量会随时间变化且在目标被捕获瞬间发生突变，这会严重影响整体姿态控制的精度。针对以上问题，提出了一种基于长短期记忆（LSTM）的系统惯性张量在轨实时辨识方法。首先，对于目标捕获前后的2个阶段，利用拉格朗日方程建立了空间机器人的动力学模型；然后，基于所建空间机器人模型采用域随机化方法生成足量训练数据，并用其对由LSTM网络与多层全连接网络构建的参数辨识网络进行训练；最后，使用训练好的参数辨识网络对系统惯性张量进行辨识。数值仿真结果表明：所提方法能够精确辨识空间机器人抓捕过程中的系统惯性张量，所研究系统的主惯量平均相对辨识误差小于0.001，惯性积的平均相对辨识误差小于0.01。     

金属微滴水平喷射关键参数调控机制及试验

均匀金属微滴喷射3D打印技术是一种极具应用前景的空间金属增材制造技术，明晰其重力敏感度是实现该技术空间化应用的前提。在地基条件下，将熔滴喷射沉积方向翻转至水平状态是直观反映其打印过程重力效应的有效方法。针对熔滴水平稳定喷射调控的难题，建立了熔滴水平喷射流体力学模型及压电激振动力学模型，通过试验，探究了熔滴水平喷射不稳定形成机制，明晰了不同喷射行为下的激振特性，揭示了熔滴水平稳定喷射调控规律。结果表明：压电模块驱动信号（脉宽、幅值）对激振杆振动特性影响极为显著，激振杆行程随幅值或脉宽的增加呈现出先增加后减小的变化规律；通过改变激振杆振动特性可调控熔滴直径、初始喷射速度及喷射稳定性，熔滴直径随幅值增大而减小，但受脉宽影响不大，而喷射速度与幅值及脉宽均正相关。基于此，试验得到了尺寸均匀的金属熔滴，并水平沉积打印出与设计模型一致的结构特征。     

基于机器学习的空间翻滚目标实时运动预测

借助监督式机器学习（ML）方法，对空间翻滚目标的运动状态预测问题进行研究，为空间机器人抓捕空间翻滚目标提供可靠的数据依据。基于物理模型的运动预测方法依赖理想的建模假设，需要连续的视觉反馈信息，解决目标预测问题的能力有限。因此，本文采用机器学习中纯数据驱动方式的稀疏伪输入高斯过程（SPGP）回归方法进行空间翻滚目标的运动预测。给定空间翻滚目标运动状态的历史观测数据，通过连续优化真实观测数据，得到稀疏的伪训练数据集，进而在线快速预测目标的运动状态，预测的计算效率达到毫秒级。此外，利用马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）法处理连续优化过程，克服由于随机初始值造成的优化过程陷入局部极小值问题。利用Snelson数据验证了所提稀疏伪输入高斯过程回归方法的正确性，并通过4组仿真算例验证了所提方法对于空间翻滚目标运动预测的有效性和鲁棒性。     

基于状态观测器的空间机械臂关节故障诊断

为了实时检测空间机械臂关节故障的发生并获得有效的故障信息，提出一种基于状态观测器的关节故障诊断方法。通过结合滑模变结构控制理论设计滑模状态观测器，获得机械臂各运行状态的残差信息，并将其与设定的阈值比较，实现关节故障的检测。进而引入不同的故障模式，构建故障数据库，将实际关节故障所导致的机械臂故障残差信息与故障数据库对比，完成故障发生位置及其故障程度的识别。所提诊断方法考虑了空间机械臂系统内部强耦合特性，能够及时检测故障的发生并获取有效的故障信息。最后以7自由度空间机械臂为对象开展数值仿真研究，验证了所提关节故障诊断方法的有效性。     

可靠性设计优化的球空间设计法

可靠性设计优化（RBDO）在航空航天等领域已经被广泛应用，具有显著提高可靠性的效果；然而它包含两个迭代循环-总体优化循环和可靠性分析循环，双循环求解方法效率低下甚至难以承受。本文提出一种可以提高可靠性设计优化求解效率的方法-球空间设计法，该方法可以方便地表达搜索区域，最大可能失效点可以从极值点处精确获取；同时，该方法可以将总体优化以及可靠性分析同步进行。本文所提出的球空间法的有效性将通过2个算例进行测试，测试结果表明该方法不仅精度与同类方法持平，求解效率有明显提升，它将会对提高航空航天装备如卫星、火箭、飞行器等产品的可靠性提供更为有效的方法和技术支持。     

空间目标监视雷达信号频率的优选准则

随着在轨微小卫星及空间碎片数量不断增加，为保证在轨卫星的运行安全，需要对微小目标进行有效跟踪探测及稳定编目。雷达作为近地空间目标监视的主用设备，在对厘米级小目标进行探测跟踪时，其工作频率是决定其能否可靠探测关键因素，高频有利于探测小目标，并可获得相对稳定的RCS，但高频信号的波束小、搜索能力较低，实现难度大，也使得成本过高。为适于实际工程应用，需从效费比出发，对频率进行优选。本文从目标RCS的角度提出一种空间目标监视雷达信号频率的优选准则，给出该准则下周长波长比ka的取值范围。为了更加清楚地说明该优选准则的应用，给出了直径5 cm和10 cm的目标在该准则下信号频率的取值范围，并与国外工作做了比较，证明该准则可行。     

一种深空粒子采样返回探测器构型设想

以太阳风粒子、深空尘埃等为目标的采样返回探测任务是空间科学与深空探测研究的热点方向之一。对“星尘号”“起源号”两个典型采样返回探测器的构型进行了分析，并梳理了其主要构型特点。结合我国月地高速再入返回飞行器的构型特点，提出了一种深空粒子采样返回探测器构型的设想：总体构型由长方形主体和流线型返回器组成，主体构型适应于承载返回器和其他装器设备，返回器构型适应于样品收集和再入返回气动外形。设计方案采用了充气式采样器进行粒子收集，具有体积小、重量轻、折叠效率高、展开可靠、工程实施简单等特点，并采用了可重复收拢展开的太阳翼，能够适应收集不同类型深空粒子的需求。     

一种柔性空间双臂机器人的协同控制和避障方法

针对柔性空间机械臂在轨服务应用需求，提出一种基于刚体运动与柔性振动相耦合的空间双臂机器人协同控制方法.首先引入空间位姿变量的概念，构造出面向协同控制目标的Jacobian矩阵，建立柔性空间机器人系统的刚柔耦合动力学模型，基于指定的最小距离得到其运动学逆解，并根据系统动量矩守恒关系及系统的Jacobian矩阵，并根据机械臂末端的运动速度,然后采用阻尼最小二乘法得出关节角度，使柔性空间机器人能够有效完成协同控制和空间避障任务，并基于RecurDyn V7R5软件环境验证算法的正确性.最后，基于SolidWorks和ADAMS虚拟样机建立柔性空间机器人系统的立体CAD模型，并结合空间在轨搬运任务进行模拟仿真，柔性空间机器人关节操作和运动轨迹的仿真结果图验证了本文算法的有效性.     

Injection of 40-kHz-modulated electron beam from the satellite: II. Excitation of electrostatic and whistler waves

Beam-plasma interaction effects are studied during the active space experiment with electron and Xe-ion beam injections in an ionospheric plasma. Permanent 40-kHz-modulated electron beam injection occurs simultaneously with a xenon-ion beam injected by the Hall-type plasma thruster operating in a square-pulse mode (100/50 s for a job/pause duration). The unusual behavior of the background charged particle fluxes and wave activity stimulated during the beam-plasma interaction have been registered by the scientific instruments onboard Intercosmos-25 station (IK-25) and Magion-3 subsatellite. The longitudinal and electromagnetic wave instabilities and their mutual relationship are considered in order to explain the observed effects. The excitation of electrostatic waves by the electron injection has been considered for different resonance conditions near the linear stability boundary. Beam-driven electromagnetic instability is responsible for the backward-propagating whistler waves excited via cyclotron resonance. Competition of these two beam instabilities is one of the subjects of the present study.