星载InSAR辅星编队优化设计与分析

以“主星—辅星编队”InSAR系统干涉测高为应用背景,研究辅星编队的优化设计问题。首先,定义优化指标———“有效观测时间比”来描述全轨道周期观测性能,以共绕飞轨道、相位均匀分布的卫星编队(构形类似于CartWheel)作为研究的重点。选取描述编队卫星相对运动的振幅比和相位差作为寻优变量,通过仿真实例用搜索法得出了寻优变量与优化指标的三维关系图,并给出了优化构形的参数区域,得到了最优的编队卫星轨道根数。进一步研究了在主要摄动因素影响下卫星编队构形保持与轨道保持的燃料预算方法,并计算了上述优化构形一年的燃料预算。最后得出有益的结论,为全InSAR系统优化设计提供依据。     

星载InSAR空间基线指向优化与设计

分布式卫星SAR系统是近年来受到广泛重视的一种新的雷达成像手段,其中分布式InSAR充分利用编队星座卫星间构成的空间基线进行干涉测高,从而实现立体成像.在InSAR系统设计中,解决好编队星座的设计问题是实现高性能成像的前提和保证,合理的星座构形设计有助于提高测高精度,从而获得高品质的雷达成像效果.从InSAR测高精度分析结果入手,由飞行力学角度阐述星间相对运动对测高精度产生的影响,并基于分析结果给出了一种有别于现有星座的特色编队构形,并对其性能进行了初步分析.      

超精密微牛级微波离子推进技术及其在卫星超精度控制中的应用研究

空间技术的快速发展使得利用空间卫星的编队飞行构建大型空间星座成为可能,在引力波探测、射电望远镜编队、星座组网等任务方面具有重要作用。超精度控制是实现卫星高精度编队飞行的关键技术。推进系统是实现卫星编队长期高度稳定飞行的保证,从而实现内部科学装置的正确运行。不同于常规的推进系统,卫星精密编队超精度控制对推进系统的推力可调范围、分辨率、响应时间、推力的一致性等有着极高的要求。根据卫星精密编队任务需求,对微牛级推进系统的功能及技术要求进行了分析,提出了基于M2微波离子推力器的卫星超精度控制推进系统。阐述了M2超精密微牛级推进系统的关键技术和研究进展,为后续M2推力器在无拖曳控制方面的应用奠定了基础。     

一种分布式小卫星SAR单视复图像信号仿真方法

总结了分布式小卫星合成孔径雷达(DSS-SAR,Distributed Small Satellite Synthetic Aperture Radar)回波信号仿真所需具备的基本功能.给出了DSS-SAR的空间几何模型和信号模型.空间几何模型由描述小卫星编队构形的Hill方程给出,信号模型由单视复图像信号模型、信号相关性模型和干涉相位的统计特性共同描述.结合空间几何模型和单视复图像信号模型,提出了一种简洁的DSS-SAR单视复图像信号的仿真方法.该仿真方法中,小卫星的空间位置是根据虚拟中心空间位置和小卫星的编队构形计算得到,因此仿真时能够任意设置小卫星群的编队构形.通过对圆锥三维地形和平地两种地面场景的进行回波信号仿真,结果表明该仿真方法不但能够实现DSS-SAR信号仿真必须具备的功能,而且还具有实现简洁、误差加入方便等优点.      

区域机动目标普查监视小卫星组网设计与仿真

针对海洋机动目标任务规划难、搜索难度大的特点,设计了一种面向海洋热点区域机动目标搜索监视的卫星组网星座。首先,根据机动目标搜索任务的特点,建立考虑时空约束条件的卫星成像条带拼接搜索策略;其次,根据机动目标搜索策略,设计了一种高时间分辨率组网星座构型;最后,构建以最小组网卫星侧摆角度和任务观测时间为优化目标的鲁棒模型,采用遗传算法对组网卫星进行优化求解,并给出算法实现流程。仿真结果表明,该卫星组网星座能够有效完成对目标区域机动目标覆盖监视,为热点区域海洋机动目标监视任务提供了一定的方法支撑。     

绳系微小卫星的旋转编队飞行

针对三星编队飞行问题,提出一种绳系控制方法,在自旋刚体卫星的平衡分析的基础上,建立了Thomson和Likins Pringle平衡构形的绳系三星编队模型,通过对编队系统的稳定性分析得到了两种构形下的稳定条件,并给出了三种控制策略用以解决Likins-Pringle构形不能满足平衡条件的问题。最后经过仿真验证了理论分析的正确性,并对三种控制策略进行了检验,结果表明Thomson构形无须辅助手段,在满足特定条件下可以稳定运行,Likins-Pringle构形采用弹簧系统和喷气辅助绳系控制时满足特定条件也可以稳定运行。     

基于卫星编队的空间碎片视觉高精度导航方法

视觉方法被广泛应用于空间碎片这类和卫星之间没有任何通信的非合作目标导航。针对观测过程中视觉传感器的像差偏差引起位置不确定的问题,提出了利用卫星编队的立体视觉导航方法。首先,利用卫星编队构造了长基线的视觉传感器,通过Fisher矩阵对系统的可观测性进行了分析,验证了系统是可观的;其次,对视觉传感器进行了误差分析,通过安排最优视差角,使多颗卫星的观测信息融合达到最优;最后,应用卫星编队的视觉导航方法对空间碎片进行了导航仿真验证。结果表明,基于卫星编队的视觉导航方法可以显著减小观测误差,精度能达到01m量级,而且编队构形简单,易于工程实现。     

基于星间测距的编队卫星一致性导航算法

针对多航天器编队飞行的自主导航问题,利用高精度的相对距离测量手段,结合较少的参考卫星位置信息,对未知卫星的相对和绝对位置进行估计.针对扩展卡尔曼滤波算法的局部不稳定性,采用了一种误差补偿算法,使在系统可观度较低时仍有较稳定的输出.并将编队系统视为一个无线网络,提出了一种分布式一致性卡尔曼滤波算法,该算法结合一致性理论和分布式卡尔曼滤波器,可明显提高解算精度并消除高频噪声干扰,仿真结果验证了该方法的有效性与可靠性.     

卫星电源系统配置方案的优化设计

对卫星电源系统配置方案进行优化设计是减轻电源系统质量的一条重要途径。以太阳则步轨道卫星为背景,对四种典型的直接能量传输方式的电源系统配置建立了能量传递图,推出了能量平衡方程。在此基础上,建立了以电源系统的质量功率比最小为目标函数的优化模型;以降交点地方时,高峰功耗与长期功耗比和光照区与星蚀区负载长期功率比为设计变量,通过算例对这四种ＤＥＴ方式进行了优化分析比较,归纳出电源系统配置方案的优化设计结论     

主星带辅星群干涉SAR编队设计的约束条件

针对主星带辅星群干涉SAR的星载双站、斜视、空间基线等特点,从系统工作过程和测高性能分析角度出发,分别对主星带辅星编队干涉SAR编队设计的几个变量(主星与辅星群的距离、基线的长度和指向角)提出设计约束条件。对辅星回波时序、信噪比进行分析,得到主、辅星间距离设计的约束条件;对干涉测高精度进行分析,重点考虑空间基线去相关对干涉相位误差进而对测高精度的影响,给出基线长度和指向角与干涉测高精度的关系,得到基线长度和指向角设计的约束条件。仿真分析表明,由于干涉车轮和干涉钟摆编队是基于正侧视干涉几何提出的,它们的测高性能不是最优的。     

Spacecraft fuel-optimal and balancing maneuvers for a class of formation reconfiguration problems

This paper presents fuel optimal and balancing methodologies for reconfiguring multiple spacecraft in formation subject to a Newtonian gravity field. For a kind of continuous-thrust propulsion system, a fuel-optimal control problem is formulated to minimize the integral squared control subject to the linearized Hill or Clohessy–Wiltshire dynamics of relative motion with respect to a circular reference orbit. Palmer’s analytical solution for general reconfiguration is adapted to maneuvers between projected circular orbits, resulting in the optimal fuel consumption index as a function of configuration parameters such as orbit radius, phase angle, and transfer time. Parametric analyses reveal unique characteristics of individual fuel optimality and gross fuel consumption: for an arbitrary selection of initial/terminal orbit radii, (i) there exist special transfer times such that individual fuel consumption is optimally uniform for all phase angles, and (ii) the total fuel expenditure for a group of three or more spacecraft is invariant for the relatively same configuration with respect to the departure phase. These results serve to effectively design fuel balancing strategies for formation reconfiguration of multiple spacecraft.     

编队飞行队形设计一般化方法

首先 ,在合理的假设条件下 ,基于运动学关系推导了环绕卫星相对参考卫星的相对运动方程 ;然后 ,给出了编队飞行队形设计一般化方法的具体计算公式 ,利用此方法 ,能在参考轨道为圆或椭圆轨道的情况下 ,直接求出编队中所有卫星的轨道参数 ;最后 ,给出了两个编队队形设计的算例     

A faster optimization method based on support vector regression for aerodynamic problems

In this paper, a new strategy for optimal design of complex aerodynamic configuration with a reasonable low computational effort is proposed. In order to solve the formulated aerodynamic optimization problem with heavy computation complexity, two steps are taken: (1) a sequential approximation method based on support vector regression (SVR) and hybrid cross validation strategy, is proposed to predict aerodynamic coefficients, and thus approximates the objective function and constraint conditions of the originally formulated optimization problem with given limited sample points; (2) a sequential optimization algorithm is proposed to ensure the obtained optimal solution by solving the approximation optimization problem in step (1) is very close to the optimal solution of the originally formulated optimization problem. In the end, we adopt a complex aerodynamic design problem, that is optimal aerodynamic design of a flight vehicle with grid fins, to demonstrate our proposed optimization methods, and numerical results show that better results can be obtained with a significantly lower computational effort than using classical optimization techniques.     

基于模型化配置的星务自主控制软件设计与应用

卫星互联网正成为一种空间基础设施展开建设,大规模卫星发射的需求与地面运控管理任务指数型增长之间的矛盾日益突出,特别是对于低轨长期处于测控不可见弧段运行,其自主生存需求更为急迫,而星务自主控制功能是实现自主运行和生存的重要组成.本文通过参数装订、逻辑子层和数据交互模块的架构设计,提出一种基于模型化配置的自主管理软件系统框架,并针对核心逻辑子层,建立遥控主动模型、遥测主动模型以及数据融合交互控制模型,实现星务自主管理软件的快速研制,解决自主运行功能常会随设计深入和试验验证不断功能扩展的问题,提高星务自主控制软件的灵活性.通过卫星故障检测和恢复(FDIR)自主管理功能的设计进行了验证.结果表明该软件系统设计框架能够满足星务自主控制功能设计,具备可扩展能力,为进一步提升卫星的智能化水平奠定基础.     

遥感卫星总体参数设计的建模与协同优化

针对遥感卫星的总体参数设计问题,建立以卫星覆盖幅宽、地面分辨率和总重综合的指标为目标的优化问题,考虑卫星的控制(GNC,Guidance, Navigation and Control)、电源、结构和热控(TCS,Thermal Control System)分系统的分析模型并整理其中的耦合关系,以协同优化(CO,Collaborative Optimization)方法为框架建立多学科设计优化(MDO,Multidisciplinary Design Optimization)模型并用罚函数法求解,获得了协同一致且性能提升的结果.验证了所建模型的合理性和MDO方法应用于卫星总体参数设计优化的有效性.各分系统的模型及求解方法可为MDO方法的工程化应用研究提供参考.     

卫星姿态容错控制系统的鲁棒自适应逆最优控制

针对卫星姿态控制系统中的执行机构和敏感器故障问题,将系统不确定性参数作为在线估计自适应参数,并考虑系统故障检测与诊断结果的不确定性,基于逆最优原理采用积分反推方法求解辅助系统的自适应控制Lyapunov函数,设计了能够确保原系统鲁棒稳定的自适应逆最优控制器并给出了详细的证明。最后进行了数学仿真,仿真结果表明文中设计的容错控制方法合理有效。     

Multi-objective optimal formation reconfiguration with scalarization and stochastic boundaries

A new method is proposed for multi-objective optimal control of satellite formation reconfiguration. First, necessary optimality conditions of single-objective fuel-optimal reconfiguration are studied. Problem of initial guess of the costate and control discontinuity are addressed by using a new developed stochastic based method. Terminal conditions of Two Point Boundary Value Problem (TPBVP) of the optimal control equations are relaxed using augmented Gaussian. Variances or bandwidths of the terminal conditions are set to decision variables to be optimized. Responses of varied initial costate are modeled and propagated using Riccati equation. Using quadratic convolution of relaxed terminal conditions, objective function of the fuel-optimal problem is reformulated into a quadratic equation, and a gradient based optimizer is used to search the optimal initial guess. In the second part of the paper, optimal control of format flying reconfiguration with two competitive objectives:fuel and time of flight (ToF) is studied. With Pascoletti-Serafini scalarization, the Multi-objective Optimal Control Problem (MOCP) is scalarized into a set of weighted Single-objective Optimal Control Problems (SOCP). Hamiltonian and switch function for the weighted SOCP are developed and constructed. New developed stochastic based approach is then used to search the optimal Pareto solutions. Verification and performances of proposed algorithms are demonstrated through numerical simulations of single-objective and multi-objective optimal control of low-thrust elliptical orbit formation reconfiguration. Potential applications of the algorithms to some other preliminary space mission designs are also discussed.