可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方法

在可压缩流动问题的数值模拟领域,激波的高分辨率计算已取得重要进展。但是包含物质界面的可压缩多介质流动的数值模拟还存在诸多数值挑战,主要表现为界面处数值耗散过大和非物理振荡等问题。界面处流体性质的不连续性是造成可压缩多介质流动问题物理建模与数值方法困难的主要原因。为了建立一套高效的可压缩多介质流动问题的高精度数值模拟方案,本文从数值框架的选择、非守恒方程相容离散、高精度有界格式构造、界面压缩、界面-单介质分区计算方法等多个维度出发,综述近几年我们在可压缩多介质流动问题高精度数值模拟方法方面的研究进展。通过上述多个维度的工作,我们建立了一套适用于可压缩多介质流动问题的低耗散、基本无数值振荡的高精度欧拉数值方法,并成功应用于可压缩多介质大变形流动和界面不稳定性诱导湍流混合等问题的数值模拟。相关数值方法研究成果已集成至武器物理等领域工程数值模拟软件中,为相关工程任务提供了重要技术支撑。     

考虑燃料消耗均衡性的低轨通信星座在轨星座构型重构方法研究

针对低轨（low earth orbit,LEO）通信星座在轨重构问题，分析了低轨通信星座的特点，提出了4个重构指标，即全球平均覆盖率、燃料消耗均衡性、重构总时间和重构总速度增量，并分析了提高轨道高度的重构方式。采用基于分解的多目标进化算法（multiobjective evolutionary algorithm based on decomposition，MOEA/D）对重构进行建模分析。结果表明，模型优化结果可以得出多组最优解，构成帕累托前沿，并得出燃料消耗均衡性最优的解，针对两种失效模式得出的重构总时间均为3.6×105s，速度增量方差分别为261.4m2/s2和293.4m2/s2，这些解均可恢复星座原有的覆盖性能，并使燃料消耗最为均衡。     

事件触发机制下的充液航天器姿态控制

针对液体大幅晃动、通信资源受限的充液航天器姿态控制系统，提出一种自适应滑模控制与事件触发机制相结合的控制策略。首先，针对固-液耦合的充液航天器姿态控制系统，选用滑模变结构控制来削弱液体大幅晃动的非线性影响，并设计自适应更新律在线估计不确定参数来提高系统的鲁棒性。然后，考虑星载计算机资源的限制，设计相对阈值的事件触发机制来决定控制输入信号的更新，从而减少控制器与执行器之间的信号更新对通信网络的占用。最后，仿真结果表明，在液体大幅晃动下，所提控制策略不但可以使航天器姿态控制系统最终收敛到任意小的界内，而且可以减少96%的控制信号传输，减轻航天器的通信负载。      

SBAS电文时序动态编排算法

星基增强系统（SBAS）通过GEO卫星转发SBAS电文实现对GNSS服务性能的提升，以满足民航用户不同飞行阶段的导航需求，因此，合理有效的电文内容及播发时序设计是系统实现高质量服务的重要保证。为提高电文编排的灵活性，避免固定时序填补空余电文引起的播发资源浪费，提出了一种SBAS电文时序动态编排算法，在满足国际标准要求的前提下，综合利用SBAS电文龄期和最大播发间隔实现待播发电文的自动选择。利用NTMF实测数据对当前各主要SBAS的电文进行了特性分析，对所提方法的单双频SBAS电文编排效果进行了评估。结果表明:所提算法可保证电文时序符合国际标准要求，实现了重要电文的优先播发，将空余时隙进行动态分配实现了各类型电文播发间隔的近等比例缩短。与固定时序相比，单频SBAS完好性电文播发间隔缩短约15.0%，首次定位时间缩短约8%，双频SBAS电文首次定位时间缩短约6.5%；与固定时序的BDSBAS B1C电文相比，完好性服务能力提升约14.7%，首次定位时间缩短约16.7%。所提算法有效提升了SBAS电文播发的播发效率，实现了SBAS播发资源的100%有效利用。      

激光捷联惯导量化热设计指标控制方法

随着机载激光捷联惯导向小型化方向发展,惯导结构的热设计正面临着更加严峻的挑战.针对设计中经常出现因无法在设计前期进行热设计指标控制而导致后期设计返工的问题,提出了一种热设计量化控制方法,即根据估算的整机功率计算箱体外表面积,再对箱体外表面积可达性进行判断,如可达则以该参数作为控制指标进行设计,如不可达则采用可达的最大表面积作为输入反算整机功耗,再根据计算结果对各电路功耗进行重新分配.经有限元仿真计算和试验一致证明该方法有效,可以实现惯导设计前期定量化的热设计控制,在很大程度上避免了后期因热可靠性及热试验问题的设计返工.     

面向BDSBAS电文认证的OTAR播发策略设计

星基增强系统（SBAS）是向用户提供完好性信息的广域增强系统，涉及生命安全领域。为了提高SBAS系统的抗欺骗能力，基于椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）提出面向北斗星基增强系统（BDSBAS）的电文认证设计方案。根据国内商用密码标准椭圆曲线（SM2）算法进行相应参数设计和电文排布方案，并描述了空中密钥更新（OTAR）的电文播发策略。为了进一步对试验方案进行验证，采用蒙特卡罗OTAR仿真器，基于3种播发调度算法进行仿真试验，通过调整权重对不同情况下OTAR电文接收时间进行分析。仿真结果为具体情况下OTAR电文方案播发调度的选择提供了重要参考依据。      

抗辐照通用扩展SiP芯片设计

研究微小卫星综合电子系统的SiP技术实现方法。首先介绍微小卫星综合电子系统结构的组成和采用SiP技术的必要性，然后对综合电子系统进行功能模块划分，并对其通用扩展模块进行详细的SiP设计，包括抗辐照器件选型、原型验证、SiP原理图、基板管壳一体化设计、建模仿真、制造加工、实装测试验证等，通过SiP技术实现了一种星载综合电子系统中通用扩展SiP芯片产品，经过实际验证测试，在保证模块功能和性能的前提下，整体模块重量从230 g减轻到48 g，体积由180 mm?130 mm?17 mm减小到46 mm?46 mm?8 mm，很好地满足了星载功能模块小型化、轻量化设计需求。     

基于线性回归近似替代模型的分布式卫星系统不确定性分析方法

分布式卫星系统在空间科学领域具有广泛的应用前景，同时也对概念设计阶段的分析工作提出了更高的要求.在分布式卫星系统概念设计阶段，评价不确定性参数对于最终探测效能的影响有着重要的工程应用价值.传统的不确定性分析方法存在解析困难、数值模拟计算效率低且耦合关系表征不明确的缺点.本文结合概念设计阶段不确定性分析的特点和需求，提出一种线性回归近似替代模型，将不确定性参数对于探测效能影响的结果计算降维为一个线性组合系数的求解问题.利用一个空间多点探测物理场分界面任务作为典型事例进行仿真验证，结果表明，相比传统数值模拟方法，本文方法在计算效率上具有明显优势且对关键不确定性参数有一定识别作用.      

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。     

多等级区域侦察弹性星座设计方法

针对传统侦察星座目标单一、弹性低的问题，提出了多等级区域侦察弹性星座的设计方法。该方法将星座设计过程按区域等级信息分为多个子星座逐步设计，直到整体星座对所有的区域性能满足设计要求。以区域被划分为3个等级为例，首先对星座设计需求、设计指标及设计步骤进行了分析。其次推导了地面最低分辨率和轨道高度的关系并确定了不同子星座的轨道高度。最后考虑轨道倾角、一箭多星发射、光照和升交点漂移同步约束，构建基础星座、子星座1和子星座2的优化模型。最终设计星座为3层混合星座，共8个轨道面和70颗卫星，星座对各等级区域的最大重访时间分别为10937s，12241s和17437s，弹性指数为2213%，2420%和6361%。结果表明该方法设计的星座可实现对区域覆盖和弹性分级的设计要求，证明了方法的有效性。对比Walker星座设计方法，在同等设计要求下，Walker星座所需卫星数为156颗，多等级区域侦察弹性星座所需卫星数远低于Walker星座，结果进一步证明了该星座设计方法的优越性。