美国未来的侦察卫星及其关键技术

侦察、监视、预警卫星系统是对导弹、空间目标、核爆炸进行全时域、全空域监视的重要手段,现已受到越来越多的国家的青睐。     

利用一次雷达实现低空空域的安全监视

介绍了一种低成本的低空空域雷达监视实验系统,并提出了一种基于雷达平面位置指示(PPI,Plane Position Indicator)图像的目标检测与跟踪算法,其中杂波抑制和目标状态估计是两项关键技术.经过背景差分的雷达PPI图像,仍然含有大量的背景边缘杂波,该算法利用其空域特性进行杂波抑制,并采用交互式多模型(IMM,Interactive Multiple Models)方法对目标的匀速、加速、减速、转弯等机动运动进行跟踪.详细分析了仿真数据的跟踪效果,并将整套算法应用于两组实测PPI图像,实验结果说明其有效性.     

无人机全空域飞行影响因素分析

进入全空域飞行是未来无人机发展的必然趋势,所面临的关键问题是安全性和空中交通管理.根据无人机大、中、小型,低、中、高速并存的特点,分析了无人机安全性和影响其全空域飞行能力的关键因素与改进方法,包括建立分类管理机制,提高自主导航与控制能力,进行动态任务规划,采取协调机制,增强环境感知与规避能力等.进一步提出了无人机空域飞行的建模/仿真理论框架,目标是在提高无人机可靠性的基础上,使其具备全空域飞行能力,从而降低无人机使用成本、提高空域共享能力,实现有人机、无人机共享空域.      

基于系统分类和安全评估的无人机空域集成

无人机的空域集成,即无人机进入非隔离空域飞行与有人机共享空域,是未来发展的必然趋势,这也给空中交通管理带来了新的挑战.参照美国的空域集成计划,需要建立在空域详细分类的基础上,根据无人机的综合能力逐步实现无人机从单一空域到多空域,从隔离空域到非隔离空域的动态运行.而无人机的综合能力分类可以从体系划分和安全能力两个角度出发,综合衡量;其中,无人机体系基于自主能力和监管方式两个关键因素来划分.基于这种方法,分析可以初步确定一类无人机可以飞行的空域类型,以及跨越不同空域的方式,从而实现无人机空域集成.     

空域扇区网络结构特性分析及韧性评估

为保障扇区内航空器运行安全,提高扇区网络在外界干扰下的韧性,从而有效减轻航班延误和空域拥堵。首先,依据中国空域扇区划分规则,运用复杂网络理论构建中国空域扇区网络模型;然后,定义网络基本特征参数,对中国空域扇区网络结构特性进行分析,提出扇区网络韧性的概念,并采用一种定量评估方法对其进行度量;最后,对比分析不同恢复策略下的韧性指标,以此制定空域扇区网络在外界干扰下的最佳恢复策略,提高网络韧性。结果表明:中国空域扇区网络具有较大的平均最短路径长度和较小的聚类系数,度分布服从双段幂律分布,介数和强度服从指数分布。介数是影响空域扇区网络韧性最大的指标,采用介数恢复策略可显著提高外界干扰下空域扇区网络的韧性。      

任务空间内空间机械臂的自适应控制

对于本体资态受控而位置不受控的空间机械臂系统,在任务空间内给出了一种自适应控制算法;证明了当系统存在参数不确定时,该算法不但可以保证末端执行器任务空间内位置轨迹跟踪误差的渐近收敛,而且还可保证关节空间内角偏差及角偏差速率的渐近收敛;仿真结果验证了算的有效性。     

双臂空间机器人姿态调整运动的最优控制规划

讨论了双臂空间机器人系统姿态调整运动的最优控制规划问题.以多体动力学理论为基础,导出了载体位置、姿态均不受控制情况下,双臂空间机器人系统的动量矩守恒关系,并将其转化为系统状态方程;利用近似优化方法给出了一种双臂空间机器人姿态、关节协调运动的最优控制算法.其优点在于,仅控制双臂空间机器人的关节运动,即可同时获得载体姿态及机械臂关节需要的终端位置.系统数值仿真,证实了算法的有效性.      

空间交会对接微波雷达测量系统面校准技术研究

介绍一种空间对接雷达测量系统地面校准方法.使用三坐标测量机准确标定立方镜和雷达天线之间的关系,将雷达天线和应答机天线分别固定在两空间舱上,在实验现场使用经纬仪测量系统测试.在测试过程中使用空间坐标转换方法,对位置关系中的姿态角进行标校,验证雷达测量系统的测量准确度,确保空间对接舱在太空中对接成功.     

基于可达集的无人机低空飞行冲突解脱算法

针对无人空中交通管理（UTM）中的冲突解脱问题，提出了以可达集分析为基础的实时避撞算法。该算法可用于城市低空环境中的密集交通流空域，保证无人机（UAV）飞行过程的安全性。基于相对运动的概念，通过分析平面空域中的飞行博弈问题对避撞系统进行建模，同时利用水平集方法和最优控制理论对无人机的可达集进行分析和计算，使用机载传感器获取无人机与周围物体的信息，为每架无人机提供新的避撞策略。通过3种不同空域环境的飞行案例进行仿真实验，验证了该策略不仅可以得到平滑的飞行路径，实时安全地解决冲突解脱问题，而且针对合作/非合作目标均有效。     

空间背景光星模拟器系统设计

为实现星敏感器光信号的高精度标定需求,提出了一种具有空间背景光的星敏感器地面标定系统,解决了空间背景光对星敏感器光信号定标精度的影响,提高了星敏感器的标定精度.对空间背景光对星敏感器标定精度的影响进行分析,给出了具有空间背景光的星模拟器实现方案,设计了能同时模拟空间背景光和星点位置信息的星模拟器光学系统.结果表明,该系统全视场相对畸变小于0.01%,MTF在80lp·mm-1处大于0.5,达到了高精度指标要求.设计了一套空间背景光系统,通过对电流和可变光阑的控制,实现了亮度26倍变化.提出了一种基于像差补偿的星点位置修正方法,并给出了修正模型.利用徕卡T6100经纬仪和照度计,分别对星模拟器所在的星点位置误差和空间背景光亮度进行测试.结果表明,空间背景光亮度可实现26倍调整,在最高能量和最低能量下星模拟器星点位置误差精度<10",满足星敏感器地面标定要求.      

Analysis of BDS-3 distributed autonomous navigation based on BeiDou system simulation platform

Satellite autonomous navigation is an important function of the BeiDou-3 navigation System (BDS-3). Satellite autonomous navigation means that the navigation satellite uses long-term forecast ephemeris and Inter-Satellite Link (ISL) measurements to determinate its own spatial position and time reference without the support of the ground Operation and Control System (OCS) for a long time to ensure that the navigation system can normally maintain the time and space reference. This paper aims to analyze the feasibility of distributed autonomous navigation algorithms. For the first time, a ground parallel autonomous navigation test system (GPANTS) is built. The performance of distributed autonomous navigation is then analyzed using the two-way ISL ranging of BDS-3 satellites. First, the BDS simulation platform and the GPANTS are introduced. Then, the basic principles of distributed satellite autonomous orbit determination and time synchronization based on ISL measurements are summarized. Preliminary evaluation of the performance of the BDS-3 constellation autonomous navigation service under ideal conditions through simulation data. Then the performance of autonomous navigation for 22 BeiDou-3 satellites using ISL measurements is evaluated. The results show that when satellites operate autonomously for 50 days without the support of any ground station, the User Range Error (URE) of autonomous orbit determination is better than 3 m, and the time synchronization accuracy is better than 4 ns.     

空间天气模式集成可视化演示软件设计

空间天气模式集成是空间天气预报业务化的基础, 空间天气模式集成可视化演示软件系统是其中重要的研究内容之一. 空间天气模式种类繁多, 要素多样, 模型复杂, 且各模式可视化形式及方法具有差异性. 本文综合当前中国空间天气模式的特点, 构建了一套空间天气模式集成可视化演示系统. 该系统兼容性好、可扩展性高, 能够集成当前中国空间天气中大多数模式. 讨论了空间数据管理方法, 基于Visual C++ 软件平台和OpenGL可视化软件模块,以动态加载方式初步实现了多个空间天气模式的可视化集成.      

基于三维聚类的决策支持系统

根据炮兵阵地地形选取的要求,深入研究了现有的空间聚类技术和方法,构造了三维空间的结构元.提出了一个基于数学形态学的三维聚类算法,给出了空间数据挖掘过程,实现了炮阵地选取决策支持系统.该聚类算法通过闭合运算,将空间对象聚成类,一次完成三维空间聚类,可以快速处理非凸的、复杂的聚类形状.由于该算法基于数学形态学,所以易于实现其高性能并行算法.实验表明,将该算法应用于炮阵地选取决策支持系统,可以发现空间数据库中存在的潜在关系和规则,为炮兵阵地选取的计算机实现提供了一种有效的解决方案,从而可以辅助决策者做出科学的决策.      

卫星位置偏差对双星/GIS组合定位的影响及组合定位试验

建立了双星定位和双星／GIS组合定位的计算模型.在此基础上研究了星历误差对双星定位结果的 影响,卫星位置偏差对组合定位结果的影响,在组合定位中,在经、纬度方向上,分别给卫星位置加入均方差 为1°的位置偏差.结果表明,给卫星位置加入均方差为1°的经、纬度方向位置偏差,并不会降低组合定位的 精度.对这一重要结论,从几何上给出了解释.最后进行了双星／GIS组合定位的物理试验.试验结果表明, 双星／GIS组合定位确实可以大大提高双星定位的精度.     

基于单目视觉原理的空间位置测量技术研究

为了提升空间位置测量的自动化程度,采用单目视觉原理建立空间成像方程,将三维的空间坐标转换为两维的图像坐标,由此实现单目视觉的空间位置测量。本文推导了单目视觉定位的基本成像方程,对建立的定位装置,进行了实际定位实验,实现了预期的测量结果。基于视觉原理的空间位置测量技术,具有良好的推广应用价值。     

基于单目视觉原理的空间位置测量技术研究

为了提升空间位置测量的自动化程度,采用单目视觉原理建立空间成像方程,将三维的空间坐标转换为两维的图像坐标,由此实现单目视觉的空间位置测量。本文推导了单目视觉定位的基本成像方程,对建立的定位装置,进行了实际定位实验,实现了预期的测量结果。基于视觉原理的空间位置测量技术,具有良好的推广应用价值。     

空间目标视星等曲线仿真

人类航天活动日益频繁，空间目标种类和数量不断增多，识别未知空间目标的关键特征具有重要的科学价值。本文通过辅助图形软件建模分割，获取球体、圆锥体和圆柱体带法向量的面元坐标；基于卫星仿真工具包，得到了目标轨道及位置参数，并结合双向反射分布函数各向异性Phong 模型和四元数姿态更新模型，完成了地基观测条件下4种形状空间目标的视星等仿真。仿真结果表明，目标受空间位置、形状和姿态的影响程度不同，其光度曲线具有各自特点。球体由于形状完全中心对称，光度曲线主要受空间位置的影响；圆锥体、正方体、圆柱体光度曲线的波形受形状影响较大，曲线走向受位置影响较大，波动频率受姿态角速率影响较大。通过统计分析相关数据，可为后续空间目标位置、姿态和形状的反演提供先验模型。