遗传算法在卫星发动机安装调整优化中的应用研究

常规的发动机安装参数仅考虑发动机推力矢量偏差的影响,文章给出了一种新的发动机安装调整方法,综合考虑了发动机推力矢量参数、卫星质心和发动机安装过程中的几何约束等多种因素,选择遗传算法进行问题的求解。通过仿真示例进行了验证,结果表明:在满足发动机安装几何约束的前提下,文章提出的优化方法对减小干扰力矩有显著作用,发动机按照优化后的参数进行安装,可以进一步减小干扰力矩,从而节省燃料,延长卫星在轨服务寿命。此研究结果可为工程中确定发动机安装参数提供参考。     

490N发动机高精度推力矢量保证方法

针对地球静止轨道(GEO)卫星490 N发动机推力矢量在卫星转移轨道无法通过卫星质心,对卫星姿态产生干扰,进而引发卫星推进剂的多余消耗,使得卫星在轨寿命减少的问题,文章提出了一种490 N发动机高精度推力矢量保证方法,分析了影响高精度推力矢量的各种因素,并从力学安装环境、低变形支架和地面安装调整3个方面进行了设计保证,经风云四号(FY-4)卫星工程研制和飞行验证,转移轨道段推进剂消耗量小于设计值,结果表明:该保证方法可行有效,可为后续GEO卫星的总体设计和研制提供参考。     

GEO卫星在轨横向质心快速估算方法

针对地球静止轨道(GEO)卫星转移轨道段推进剂消耗量大,卫星横向质心偏移,导致变轨过程中发动机产生较大干扰力矩等情况,提出在轨使用推力器进行卫星横向质心估算的方法。为保证卫星姿态稳定控制,采用推力方向相同、力矩方向相反的成组推力器同时喷气激励,再用陀螺进行角速度测量,避免因力矩过大、控制系统暂停闭环控制时卫星产生较大的角速度。利用实例对横向质心估算方法进行仿真验证,结果表明:估算方法仅需10s的连续喷气激励,避免了卫星姿态的波动,估算误差可控,可用于GEO卫星转移轨道段的质心估算。     

一种基于推力器控制的卫星质心在轨估算方法研究

为准确估计地球静止轨道(GEO)卫星在轨道机动过程中因燃料消耗产生的质心位置的变化,提出了一种基于推力器连续喷气的卫星质心在轨估算方法。采用推力器在固定时间内连续喷气工作方式以形成恒定的推力器作用力和力矩,根据陀螺测量值用最小二乘法估算推力器产生的星体角加速度值,采用产生正负向相反控制力矩的两个推力器同时工作,以减小对卫星姿态的扰动和三轴间的动力学耦合。给出了卫星质心计算公式,讨论了质心估算中的推力器推力位置测量误差、推力器推力矢量方向角度测量误差、成对工作推力器推力大小偏差、陀螺组合测量噪声、整星转动惯量计算偏差,以及卫星姿态动力学耦合特性等主要误差源对估算结果的影响。基于某GEO卫星的推力器数据,计算获得了在轨质心的总测量偏差。仿真结果表明:理论计算值与仿真结果的误差在允许范围内,方法有效,可广泛用于航天器的质心位置测量,方法有较大的工程应用价值。     

双组元统一推进系统加注混合比改进算法及应用

卫星双组元统一推进系统加注混合比,是确定卫星氧化剂和燃烧剂加注量的重要参数。正确地确定加注混合比可以减少卫星的呆重,增加推进剂余量和卫星寿命。文章在原有混合比计算的基础上,分析了在轨不同阶段的不同压力、温度条件下10N推力器和490N变轨发动机的流量情况和入口压力、氧化剂和燃烧剂压力变化情况,利用推力器和变轨发动机地面...     

先进上面级变轨段姿态解耦控制研究

针对多星部署先进上面级变轨段三轴姿态严重耦合以及主发动机开机引起的较大干扰力矩问题,研究了基于反馈线性化的姿态解耦算法。通过给出上面级多星部署任务中的坐标系和姿态角定义,建立了欧拉角描述的姿态动力学与运动学方程。分析了推力矢量与姿控发动机的控制方案,描述了该方案中主发动机、伺服机构和姿控发动机的配置结构,推导了推力矢量控制中的主发动机摆角计算公式和主发动机工作时质心偏移引起的干扰力矩。基于反馈线性化理论,设计了上面级姿态解耦控制律。算例验证结果表明姿态角速率误差和姿态角误差能够快速趋于1°/s和0.5°。文中设计的姿态解耦控制算法具有良好的稳定性和可行性。     

星用第三代铼/铱材料490 N发动机研制进展

提高轨控发动机的真空比冲可以有效减少卫星变轨推进剂的消耗量,从而延长卫星的在轨工作寿命或增加有效载荷质量。介绍了我国在研的卫星用第三代铼/铱材料490 N发动机设计方案、技术攻关和试验情况,对工程化应用存在的问题进行了分析,并提出了改进和优化方案。在第二代490 N发动机的设计基础上,第三代490 N发动机成功攻克了可靠传热稳定工作喷注器、高性能喷注器与燃烧室匹配以及新型高温抗氧化材料制备等关键技术,真空比冲提高了10 s,达到325 s。两台发动机均通过了25 000 s鉴定级高空模拟热试车寿命考核,性能指标达到国际先进水平。但是针对试车子样数较少和铼/铱燃烧室制备工艺困难的问题,仍需进一步开展铼基体和铱涂层的高温性能研究,并继续优化发动机设计。     

一种海洋测高卫星质心在轨估计算法

为了满足海洋测高卫星在轨质心位置精度的要求,提出了一种使用陀螺仪测量数据在轨估算卫星质心位置的算法。该算法利用推力器工作产生外力矩,采用总体最小二乘法,综合考虑了实际推力器推力的误差及陀螺仪的测量误差,由卫星的姿态动力学方程估算得到卫星质心位置。数值仿真证明了该算法的有效性,结果表明质心位置的估计精度在毫米量级,可以满足海洋测高卫星对质心位置精度的需求。     

基于MME/EKF算法的卫星质心在轨标定

提出了一种基于MME/EKF的卫星质心在轨标定算法。首先以磁力矩器为执行元件给卫星施加一个明显大于干扰力矩的周期性力矩,将静电加速度计的量测信息分解为线性和周期性加速度,并将星敏感器标定后的陀螺仪数据代入MME算法中估计出卫星的角加速度,然后利用EKF算法求解卫星质心的位置。最后进行了数学仿真验证,仿真结果表明该算法不需要卫星的控制输入以及动力学特性信息,便能实现卫星质心较为精确的标定。     

Fault-tolerant Control Under Constrained Input for Flexible Satellite Attitude Control System during Orbit Control

轨控期间的卫星由于推力器安装偏差,实施推力时会产生较大的干扰力矩,直接影响到卫星姿态稳定.除此,考虑到执行机构提供的力矩是有限的,为保证系统的稳定性,需在设计控制器的过程中考虑输入受限问题.本文针对卫星执行机构故障情况,综合考虑输入受限和干扰问题,提出一种基于输入受限的挠性卫星姿态容错控制策略,并开展了仿真试验,验证了本文设计的姿态容错控制器的有效性.     

基于MME/KF的电推进器推力在轨标定算法

为了确保小推力量级电推进器在轨工作的有效性,提出了一种基于MME/KF（Minimum Model Error/Kalman Filter）的电推进器推力在轨标定算法。该算法对推力标定过程为:首先使用飞轮产生一个已知的周期性力矩作用于卫星上,同时姿态控制器发送指令给电推进器来保持卫星的稳定;然后将陀螺仪数据代入MME算法中估计出卫星的角加速度,并利用KF算法实现电推进器在轨标定;最后进行数学仿真。结果表明该算法在常规推力下可以提高在轨标定精度,并且可以实现小推力条件下的在轨标定。     

重力测量卫星KBR系统相位中心在轨标定算法

针对低低跟踪(SST-LL)重力测量卫星K频段测距(KBR)系统相位中心在轨标定问题,提出了一种应用预测卡尔曼滤波算法的KBR系统在轨标定算法。首先,以磁力矩器和姿态控制喷气发动机为执行部件,对一颗卫星施加一定的组合力矩,使其绕另一颗卫星进行周期性姿态机动;然后,将星敏感器数据代入预测卡尔曼滤波算法中估计出卫星姿态;最后,根据KBR系统观测值与卫星姿态角之间的关系,利用扩展卡尔曼滤波算法估计出KBR系统相位中心的位置。数值仿真结果表明:KBR系统相位中心可以被实时估计,当存在较大的卫星姿态动力学模型误差时,KBR系统相位中心的标定误差仍在0.3mrad以内,证明此算法估计精度较高且鲁棒性强。     

基于IGRF地磁场模型的航天器地磁干扰力矩数值仿真

航天器长期在轨运行期间,空间磁场与其自身磁矩相互作用的累积,会对航天器的姿态造成较大影响,加重姿态控制系统负担,降低航天器的可靠性。文章分别针对航天器轨道计算及地磁场模型的使用,对航天器地磁干扰力矩数值的仿真进行了系统的研究,最终得到航天器在轨运行时地磁干扰力矩计算仿真方法。     

新型弹簧床结构的HAN基发动机技术

为改善硝酸羟胺(HAN)基发动机催化剂在长时间工作的工况下容易发生破碎而产生空穴的现象，本文提出一种新型弹簧床结构发动机设计方法，对发动机催化床进行改进优化设计。该设计可实现，常温环境下弹簧所提供的最大弹力不足以压碎催化剂；同时在高温环境下，弹簧的最小弹力足以克服催化床受到的流动阻力，可大幅提高发动机工作寿命、性能和可靠性。为验证该设计方法的有效性，分别开展了传统结构和新型弹簧床结构的HAN基1N发动机温启动试验。试验结果表明：在相同试验条件下，传统结构1N发动机温启动次数不超过150次，而使用新型弹簧床结构的1N发动机温启动次数超过了500次，且工作性能更优。试验结果证明了该设计方法的有效性，为HAN基发动机长寿命可靠工作奠定了良好的技术基础。     

基于微波等离子推力器的地球同步轨道卫星任务优化计算

将微波等离子推力器（MPT）应用于“东方红三号”（DFH-3）卫星的推进子系统，完成其轨道转移和南-北位置保持任务。建立了卫星任务和系统优化计算模型，采用遗传算法对卫星轨道转移和位置保持任务进行优化模拟计算，讨论了推力弧段和推力等对卫星变轨时间、MPT累积工作时间、卫星干质量和有效载荷的影响，结果表明，采用MPT可大大减少推进剂工质消耗，增加有效载荷，变轨时间明显大于化学推进，但小于相同电功率的其他电推进。     

大型三轴气浮台转动惯量和干扰力矩高精度联合辨识技术

利用三轴气浮台对遥感卫星进行载荷平台一体化全系统闭环物理仿真,可模拟卫星在轨运行时的动力学特性,验证整星在轨状态下的姿控特性和相机成像特性等。高精度辨识气浮台转动惯量和综合干扰力矩为三轴气浮台质量特性调整及量化评估整星级试验性能提供重要参数。文章提出一种新的大型三轴气浮台转动惯量和干扰力矩联合辨识技术,通过台上飞轮对三轴施加激励作用,利用激光陀螺等姿态测量数据实现对台体惯量矩阵和干扰力矩的高精度联合辨识。与传统辨识方法不同,该技术仅利用本体角速度信息,不需要角加速度信息,避免了角速度微分引起的噪声放大,将转动惯量辨识相对误差控制在3.5%以内,气浮系统综合干扰力矩优于0.003 N·m,满足了高精度参数辨识需求。     

一种低干扰力矩的三自由度球面磁轴承

提出一种低干扰力矩的三自由度球面磁轴承结构,球面磁轴承定、转子均采用球面结构。当磁通作用在转子的球形包络面时,产生的电磁力会指向转子球心,不会对转子产生干扰力矩,但少量的漏磁磁通会作用在转子的非球形平面上,导致低干扰力矩的出现。利用等效磁路法对球形转子偏转时轴向部分漏磁导致的干扰力矩进行分析,得出干扰力矩的数学表达式。运用有限元法分析球面磁轴承和柱面磁轴承产生偏转时的干扰力矩,结果表明干扰力矩随着转子偏转角度的增加而增大,当转子偏转角达到最大允许值0.3°时,球面磁轴承与柱面磁轴承相比干扰力矩减小两个数量级。球面磁轴承的低干扰力矩特性决定其特别适用于磁悬浮控制力矩陀螺,可提高陀螺的控制精度,在磁悬浮高能密度电机、其他飞轮系统等场合具有广阔的应用前景。     

反作用飞轮电机换相力矩波动抑制协同控制方法

针对反作用飞轮电机换相所产生的非理想力矩影响卫星姿态控制精度的问题,采用永磁无刷直流电机绕组感生电势、相电流和电磁转矩的解析计算方法得到了反作用飞轮电机的换相力矩波动最小化条件,提出了基于该最小化条件的换相力矩波动抑制高动态协同控制方法,抑制反作用飞轮电机三种运行状态下的换相力矩波动.试验结果表明,电动状态下换相力矩波动减小了12%、可控能耗制动和反接制动状态下换相力矩波动减小了90%以上,验证了该方法的可行性和有效性.     

一种星-箭连接动态界面力的深度学习反演方法

针对于星-箭连接动态界面力无法通过力传感器直接测量,且典型时域动载反演方法难以准确计算界面力的时域变化等难点,提出了基于长短时记忆(LSTM)神经网络的星-箭界面力深度学习反演方法。首先通过卫星地面测试试验得到数据依据,以卫星主体结构的加速度测量数据为输入层,以星-箭界面力测量数据为输出层,利用LSTM神经网络建立输入和输出间的反演映射关系模型,实现卫星在发射过程中较高精度的界面力反演。进而,设计并开展了某典型卫星结构的正弦扫频和随机振动实验,测试LSTM界面力反演方法的可行性。结果分析可知,所提出的基于LSTM深度学习反演方法能够精确地获得动态界面力时程数据,两项性能指标均优于目前典型的载荷反演方法。     

失效卫星电磁消旋涉及的地磁扰动计算及磁场源优化设计方法

以失效卫星为代表的空间碎片受各种扰动因素影响,其旋转速度可达几到几十(°)/s。这种旋转运动给碎片清除带来困难,因此对旋转空间碎片进行消旋势在必行。电磁消旋因其非接触、无碰撞特性得到广泛关注,但在实际应用中须首先判别地磁场与磁场源相互作用产生的扰动力和力矩。文章在简要介绍基于旋转磁场的电磁消旋方法的基础上,建立电磁消旋过程中的电磁扰动力和力矩的分析模型,仿真分析计算地磁扰动力及力矩的分布,并给出减小地磁扰动的源磁场结构设计原则。通过设计组合式磁场源,优化磁场源各个磁体的磁化方向排布,可减小磁场源总磁矩以及地磁扰动。