美国云和气溶胶星载激光雷达综述

气溶胶的探测,尤其是全球范围内气溶胶的探测,不仅对预测未来气候的变化有重要帮助,而且可以对遥感图像的大气校正提供重要大气参数,而星载激光雷达则是实现全球气溶胶探测的最有效的手段。美国是星载激光雷达的先行者,在气溶胶探测方面,它先后实施了LITE和CALIPSO两项计划。LITE试验的成功,验证了天基激光雷达的可行性,而CALIPSO上激光雷达CALIOP的在轨正常运行,则实现了星载激光雷达的应用。文章着重介绍和评述了美国云和气溶胶星载激光雷达的发展、收发装置以及观测结果等。     

多波束三维成像激光雷达高精度收发匹配方法研究

三维成像激光雷达技术为空间地理信息获取、目标立体探测提供了新的技术途径。以多波束并行收发、单光子阵列探测为特征的新一代三维成像激光雷达可提升雷达探测灵敏度、激光成像帧频与成像效率，从而实现远距离快速激光三维成像。三维成像激光雷达的激光发散角与接收视场需角秒量级的匹配精度。随着系统波束数量的增加，几十甚至上百波束的高精度收发波束匹配是系统设计装调的难点。聚焦多波束单光子阵列三维成像激光雷达的收发匹配难题，设计了基于衍射分束激光发射与光纤阵列接收的收发光学系统，提出了一种多波束激光雷达收发波束匹配方法，并对该方法的收发匹配误差源以及温度对其影响进行了详细分析仿真。实验验证结果表明，可实现64波束优于10 μrad的匹配误差，在工作温度范围内总的收发失配优于20.78 μrad，满足本系统设计时25.5 μrad的收发匹配裕量，系统对环境温度有较好的适应性，具有良好的工程应用前景。     

星载辐射计动平衡概述及在轨动平衡技术研究

作为卫星在轨对地探测的有效载荷,星载辐射计在轨扫描转动时的动平衡特性直接影响卫星在轨探测精度和姿态稳定度。文章介绍星载辐射计动平衡技术研究现状和发展趋势,并基于现有地面动平衡技术的局限和型号发展需求提出在轨动平衡技术的初步设想,阐述了在轨动平衡配平技术、测量技术和实时调整反馈控制技术,可为今后类似旋转式星载辐射计的动平衡设计和动平衡控制方法提供参考依据。     

在轨运行热环境下的天线镜面热变形对空地激光通信链路的影响

针对光学天线镜面热变形对空地激光通信链路性能产生影响的问题进行了理论和仿真分析。采用ANSYS有限元分析软件仿真得到的结果表明：低轨卫星在轨运行热环境条件下，采用潜望式结构且暴露在卫星舱外的光学天线反射镜镜面热变形将导致天线镜面法向偏转，其偏转量在不能释放热应力条件下可达几十μrad量级，经其传输的光束将产生较大的指向偏差；对所提出的释放热应力效果较好的天线镜体安装方式进行的相应分析表明：镜面变形受到镜体固定方式的影响非常大，在一定的参数条件下，和压板法固定方式相比较，压圈固定方式受到热变形影响形成的法向角度偏转较小。     

空间相机次镜在轨校正仿真分析

针对空间环境变化引起的面形误差和位置误差导致空间相机成像品质下降的情况,提出一种次镜调整补偿系统像差的多软件联合仿真方法。采用次镜调整来补偿系统像差的方法,利用条纹泽尼克多项式来拟合系统波前像差,建立像差系数和次镜调整量之间的多视场灵敏度矩阵模型,进而通过最小二乘法迭代计算求解出各调整量,实现次镜在轨校正的闭环控制。以偏视场同轴三反消像散光学系统为例进行仿真分析,次镜多次迭代调整可以使系统多个视场的波像差接近原始设计值。仿真结果验证了次镜在轨调整的像差补偿作用,为空间相机在轨主动像差校正技术提供了工程应用参考价值。     

萤火一号火星探测器电子分析器设计和试验

对萤火一号(YH-1)火星探测器电子分析器设计和试验进行了研究.电子分析器采用带偏转板的同轴圆柱形静电分析器,设计方案在满足性能指标的同时实现了小型化.用Ni63放射源对其进行能量扫描、角度扫描、能量和角度均扫描等能量高端的性能试验,结果表明:电子分析器的能量扫描、角度扫描、能量和角度均扫描功能正确.通过试验还获得了电子分析器在2.47～10.04 keV的相对探测效率,该结果可作为电子分析器在轨数据处理的依据.     

基于先验动力学轨道的星载双频GPS数据预处理

针对星载双频GPS数据预处理中的野值剔除和周跳检测问题,提出了基于先验动力学轨道的星载双频GPS数据预处理方法。与传统GPS数据预处理方法在数据利用上局限于GPS原始观测数据本身不同,该方法还利用了动力学定轨产生的先验轨道信息以及GPS卫星精密轨道、钟差数据,并构造接收机钟差估计量和接收机钟差差分值估计量来剔除野值和探测周跳,提高了野值剔除和小周跳探测能力。对CHAMP卫星在轨实测数据的处理分析表明,该方法可以探测出1周甚至0.5周的周跳,可为高精度定轨提供更“干净”的数据源。     

面向天线在轨故障处置的RRR指向机构轨迹规划

为解决某星载大型可展开天线在轨故障,本文提出采用投影位移规划法,实现RRR 天线转动指向机构的位移轨迹规划。首先,基于串联机构D-H 法建立RRR 指向机构数学模型,并完成机构自由度、末端构件运动空间和力学特性分析;然后,建立机构反解,针对轨迹要求为二维连续位移轨迹的特点,提出采用投影位移轨迹规划法实现RRR 三自由度转动机构的位移轨迹规划;最后根据规划算法,结合任务各阶段目标要求,获得了以驱动力条件优化初始位置,保证各阶段运动连续的整体运动轨迹规划结果。通过地面在轨故障模拟处置试验,完成了轨迹规划方法的正确性验证,并最终成功指导在轨故障处置测试的实施。本文研究为大型展开天线在轨机械故障处置提供了重要借鉴,也为转动机构实现位移轨迹规划的研究提供了理论方法创新。     

非结构化环境下月球车快速即时定位与制图方法

激光雷达的实时环境扫描与已构建环境模型之间的匹配是月球车即时定位与制图(SLAM)过程中的关键步骤,其收敛速度和准确性直接决定了SLAM的成败。月球表面是一种典型非结构化环境,其环境场景特征复杂。若通过三维激光匹配方式则传感器数据量大,特征匹配的难度高,实时性差。针对于此,本文提出了一种基于ICP算法的激光点扫描匹配方法－类等高线匹配方法,将二维激光雷达的实时扫描数据与已构建的三维环境高程图相匹配,利用RBPF粒子滤波实现位姿与地图状态的估计,采用自行研制的小型激光雷达硬件平台,较好地实现了月球车原理样机的快速SLAM过程。实验表明,基于该方法的即时定位与制图过程对于月球车位姿估计的鲁棒性强,实时性好。     

星载二维转台减振驱动控制设计

星载二维转台伺服机构是一种高精度指向调节机构,目前在轨运动应用频带在1Hz～300Hz范围,步进电机在低频旋转时存在振荡问题。为了解决此问题,文章基于正弦脉冲宽度调制(sine pulse width modulation, SPWM)提出了一种控制步进电机细分设计方法。系统以FPGA为控制核心,以LMD18200为电机驱动输出,构成了一个完整的运动控制平台,实现SPWM步进电机的细分控制。通过ModelSim软件仿真和实践表明,电机在低频时能运行平稳,有效降低了电机运行中的噪声和启动、停止时的振动,转台转动过程中抖动明显减小。     

空间温度场对平面反射镜面形影响研究

基于传热学基本理论,给出了潜望式激光通信终端二维转台在轨运行过程中的传 热控制方程,分析了二维转台的温度场分布,得出了不同材料反射镜在轨运行过程中温度场 随时间变化规律和升交点时刻的热形变分布。分析过程中二维转台外表面采取氧化处理,没 有采用其他温控措施,分析结果表明,对于四种不同材料反射镜,激光通信终端在轨运行一 个轨道周期的时间内,SiC材料温度波动范围最小,并且温度不均匀性也最小,因此SiC材料 是潜望式激光通信终端反射镜的可选材料。对于SiC反射镜,升交点时刻俯仰轴反射镜的温 度不均匀性最大,达到0.93℃。反射镜采用椭圆周上六点螺钉固定的方式时, 俯仰轴反射镜面形RMS值达到2.25μm,这将对光束指向产生影响,进而影响系统性能。 本文的研究内容对潜望式激光通信终端反射镜材料选择和温控措施的采取有一定参考价值。
     

双超敏捷卫星载荷舱扰动补偿研究

文章针对动静隔离式双超敏捷卫星载荷舱存在活动部件时，载荷舱指向精度下降的问题，依据双超敏捷卫星的特点，对双超敏捷卫星载荷舱进行了扰动补偿研究。首先，建立了载荷舱活动部件扰动模型以及双超敏捷卫星模型，扰动包括反作用飞轮小幅值高频随机扰动和摆镜扫描大幅值规律性扰动；然后，在采用飞轮扰动被动隔振和摆镜扫描主动补偿的基础上，利用双超敏捷卫星磁浮机构带宽高的特点进行二次主动隔振。仿真结果表明：在进行飞轮扰动被动隔振以及摆镜扫描扰动主动补偿后，载荷舱的指向精度提高到6×10-3（deg）；磁浮机构进行二次主动隔振后，载荷舱的指向精度提高到2×10-4（deg）。该方法为双超敏捷卫星载荷舱受扰时指向精度下降问题提供解决思路。利用磁浮机构不仅可以隔离平台舱的扰动，而且可以提供高带宽主动控制力来抑制载荷舱的扰动。但在具体实施过程中还需考虑载荷舱与平台舱之间的碰撞问题。     

具有栅瓣抑制功能的非等间距光学相控阵芯片研究

光学相控阵(optical phased array, OPA)作为一种激光扫描技术,具有扫描速度快、精度高、损耗小和易于集成化等优点,在光通信、无人驾驶、激光雷达和航空航天等领域具有广泛的应用前景。为了抑制旁瓣的产生,要求工作波长大于OPA的阵元间距,导致远场主瓣附近必然产生栅瓣,降低OPA扫描精度和扫描范围。提出了一种具有栅瓣抑制功能的非等间距OPA芯片,可实现宽视场、高精度的光斑偏转效果。采用遗传算法优化64路非等间距OPA阵元间距,得到最低栅瓣的阵元分布,实现最佳的栅瓣抑制效果。实验结果表明,在1500～1600 nm波长范围内,优化后波导最小间距为2.2μm,最大间距为11.4μm,芯片远场光斑可实现20°×10°的二维扫描角度,且对旁瓣的抑制作用显著。     

微振动对星载傅里叶变换光谱仪的影响分析

文章介绍了一种利用星载傅里叶光谱仪(FTS)进行大气成份探测方法。该光谱仪基于动镜干涉原理,采用空心角镜摆臂扫描、计量激光进行触发的采样方式,实现光谱探测。这种设计尽可能的减轻了FTS在采样过程中卫星平台的振动对干涉效果和光谱数据的影响。文章首先介绍了星载傅里叶变换光谱仪的在轨工作模式、系统组成和干涉模块的光学方案,给出了微振动对傅里叶光谱仪干涉信号和光谱信号影响的数学模型,针对卫星平台微振动的频率和振幅特性,开展了典型工况条件下干涉信号和光谱信号的仿真计算。仿真结果显示随着振动量级增大,光谱图上的鬼线幅值明显增大;另外,延迟匹配精度对探测精度具有重要影响,延迟匹配误差越大,产生的鬼线幅值越大。分析表明,在小于卫星平台的微振动幅度(30×10-3gn)时,微振动对星载傅里叶变换光谱仪的影响可以控制在可接受范围内。     

高分七号卫星激光测高仪分系统关键技术设计与实现

针对1∶10 000比例尺立体测绘对高程控制点的需求,高分七号激光测高仪分系统在传统激光脉冲式距离测量技术的基础上,通过可见光光学被动成像与激光接收光学复合设计方案,同时获取激光足印在地物影像上的二维方位信息和大足印内的多回波波形,并对激光指向在轨监测关键技术进行了设计实现。关键技术仿真及试验结果表明:激光足印平面定位精度可达到5μrad,对强度变化33 dB内的回波测距均值最大变化3.3 cm。在轨监测数据表明:激光发射光轴稳定性优于0.5μrad,无云区域回波探测概率达到100%。测量获取的具备5μrad平面精度、1 m高程精度的激光落点可为1∶10 000比例尺测绘提供高质量的控制点信息。     

一种快速高精度激光终端跟踪角度等效方法

激光光束良好的跟踪特性是建立激光通信链路进而实现稳定高质量通信的前提,目前为实现高精度的激光光束跟踪指标,激光终端通常采用粗精组合切换跟踪控制的方法。但由于粗跟踪环中耦合有反射镜和多个库德镜,使得粗精环等效角度转换过程变得十分复杂。为解决该问题,提出从端到端进行坐标解算和从两端到参考坐标系进行光束变化角度转换的思路,进而实现精跟踪环快速跟踪反射镜x、y方向角度值对出射、入射光束变化,与等效的粗跟踪环U型架的方位、俯仰角度变化的转换关系。在详细描述两种方法转换思路的基础上,借助MATLAB工具计算转换结果,仿真结果表明相对于第一种方法计算量大,等效误差较大,有时甚至出现无法解出等效解的问题,第二种方法简便快速且计算误差较小,对于对实时性要求较高的激光通信跟瞄系统实现其快速高质量跟踪通信具有重要意义。     

一种宽带相控阵列天线的设计

设计了一种宽带宽角相控阵天线单元,该天线单元采用指数渐变开槽天线形式.依次给出了该天线单元的仿真设计和阵列波束扫描性能,从仿真中可以看出,该天线在3倍频程带宽内具有良好的匹配和辐射特性,并且能实现大角度二维扫描.该天线单元具有频带宽、体积小、结构简单等特点,适于用作宽带宽角扫描相控阵天线的阵列单元.     

颗粒冲刷条件下绝热层二维烧蚀计算

在颗粒冲刷条件下绝热层烧蚀试验研究的基础上,对该条件下的绝热层烧蚀机理进行了理论分析,建立了颗粒冲刷条件下的绝热层二维炭化烧蚀模型,进行了该条件下的绝热层烧蚀计算。烧蚀机理分析认为,冲刷条件下绝热层烧蚀加剧的直接原因为颗粒对炭化层的机械剥蚀作用,经回归分析得到了炭化层厚度Ht和颗粒浓度Gp、颗粒冲刷速度vp、颗粒冲刷角度α之间的经验关系式:Ht=5.761G-p0.013 7(vpsinα)-0.409。烧蚀计算模型基于二维适体网格,并发展了一种自适应加密和加强网格正交化的方法。计算获得的绝热层型面推移结果和利用X射线实时荧屏分析(RTR)测量得到的绝热层动态烧蚀试验结果吻合较好,表征出了颗粒冲刷条件下绝热层烧蚀过程的型面变化规律。该烧蚀模型适用于颗粒冲刷条件下绝热层的烧蚀计算。     

考虑卫星轨道运动和像移影响的星敏感器星图模拟方法

星图模拟技术是星图识别算法和星敏感器性能测试的基础.提出一种新的高精度星图模拟方法.该方法分为三个步骤:首先,利用两行轨道数据(TLE,Two-Line Orbital Element)与简化常规/深空扰动的近似解模型(SGP4/SDP4)计算出卫星在轨运行参数,进而获得卫星姿态矩阵;然后,根据星敏感器的方位和俯仰角度,确定星敏感器视场中的导航星及星敏感器安装矩阵,利用小孔成像模型,获得导航星在星敏感器成像面的投影位置;最后,为更准确模拟实际星像点的灰度扩散,在考虑卫星运动引起的恒星像移的基础上,按照二维高斯分布规律置灰度值来模拟星像点像素.在此基础上,还详细分析了不同曝光时间下,恒星像移对恒星位置测量的影响.