下一代高精度卫星重力测量技术研究

以下一代高精度卫星重力测量为背景,针对低低卫卫跟踪模式与卫星重力梯度测量模式,论述了下一代低低卫卫跟踪和下一代重力梯度测量卫星方案。下一代低低卫卫跟踪重力卫星采用纳米级星间激光测距替代原微波测距,同时降低轨道高度以提高重力场敏感度。下一代重力梯度测量卫星采用原子干涉重力梯度仪替代静电重力梯度仪,原子干涉重力梯度仪在空间有超高的潜在灵敏度,可进一步提高卫星重力梯度测量的精度。同时,突破现有牛顿力学框架下的卫星重力测量技术,提出了基于广义相对论引力钟慢效应的卫星重力测量技术概念,卫星遍历地球周围空间时,通过测量星上时钟频率变化获取全球重力分布。仿真结果表明:三种新型高精度卫星重力测量技术可恢复200~305阶的全球重力场模型。     

采用MSCMG群的卫星平台敏捷机动控制地面闭环试验验证

针对新型惯性执行机构磁悬浮控制力矩陀螺(Magnetically suspended control moment gyro, MSCMG),基于金字塔构型开展卫星平台敏捷机动控制地面闭环试验研究,以验证MSCMG的姿态控制性能。首先基于MSCMG搭建卫星平台控制地面试验系统,建立数学模型;接着针对气浮台外界扰动抑制及大角度敏捷机动控制问题,基于变参数滑模控制设计姿态控制算法,采用鲁棒伪逆方法进行MSCMG群框架角速度分配;并针对MSCMG的特性对框架角速度和角加速度进行了限幅,开展闭环控制试验研究。试验结果表明,采用MSCMG进行气浮台姿态稳定控制实验,可以实现姿态稳定度优于5×10~(-4)(°)/s,且在实现30°/15 s的机动指标时,MSCMG框架角速度具有良好的跟踪性能,且磁悬浮转子在输出大力矩时仍然保持稳定悬浮,具有较强的鲁棒性。通过地面闭环试验验证了MSCMG作为姿控执行机构的优异性能,为其未来进一步应用研究奠定基础。     

卫星重力测量中加速度计在轨参数校准方法研究

文章介绍了静电悬浮加速度计的基本工作原理,概述了目前卫星重力测量中加速度计参数的在轨外部校准方法,讨论了利用推进器推力、卫星旋转产生的离心力、引力开展加速度计标度因数在轨实时标定的可行性。     

面向深空任务的电磁桨推力器设计

为解决深空任务需要大量推进工质的问题,提出了一种电磁桨推力器的概念,以恒星际等离子体为工质,利用带电粒子在正交匀强电场和磁场中的电漂移效应,产生对航天器的推力。根据带电粒子的漂移速度,分非相对论和相对论两种情况,推导了电磁桨推力器的推力公式,分析了电磁桨推力器的设计约束条件,并针对星际航行和无拖曳控制任务,结合实际工程技术水平,设计了初步电磁桨推力器方案和试验验证方案。计算结果表明,使用上述电磁桨推力器方案的航天器无需携带任何工质,在星际航行中每年可以得到1056m/s速度增量。     

利用旋转卫星法开展加速度计在轨检验研究

利用旋转卫星法开展高精度空间加速度计在轨性能检验的可行性分析表明该方法能够 在轨测量加速度计的分辨率、质心重合度、标度因数和安装误差,并根据GRACE卫星的相关 参数估计了采用该方法可能达到的测量水平,这不仅有利于加速度计载荷在轨性能评价,而 且对于重力场测量卫星的最终数据处理具有指导意义。
     

三体随动跟踪式重力卫星姿态与无拖曳控制方法

采用非接触洛伦兹力执行器代替微推进系统,提出一种“质量块—载荷舱—平台舱”三体随动跟踪式重力卫星总体架构,避免传统低低跟踪重力场测量卫星设计中的质心波动与执行机构带来的动力学不确定性影响。其次,建立了该架构下的卫星姿轨耦合动力学模型,并在此基础上针对动力学非线性耦合项的影响,构建了一种基于带宽参数化自适应补偿的复合自抗扰控制方法,提升姿态与无拖曳控制性能。最后,采用数学仿真验证了所提出的重力卫星总体架构及其控制方法的有效性。仿真结果表明,该方法有效提升了系统的频域性能。     

典型卫星表面材质的近红外干涉光谱反演

为研究空间碎片表面材料发生镜面反射时的光谱特征,采用光纤光谱仪联合高精度测角光度计,测量了4种典型空间碎片材质在多种入射角下的可见-短波红外光谱反射率,发现三结砷化镓电池片和聚酰亚胺包覆膜的镜面反射光谱在近红外波段(1 000～1 800 nm)出现了明显的等倾干涉光谱条纹。进一步分析表明,该光谱条纹由空间材质本身的多层工艺结构特性引起,并运用相关分析法建模计算求得砷化镓层厚度为5.518 9μm,近红外折射率为3.472 4;聚酰亚胺层厚度为24.210 6μm,近红外折射率为1.707 4,反演结果与材质标称参数相符。实验结果表明:近红外谱段镜面反射光谱特征可用于多层结构的空间碎片材质的厚度、折射率等工艺特性反演,该方法可为卫星材质精细辨识提供新的研究思路。