星敏感器姿态测量相对基准偏差在轨标校方法研究

摘要： 对航天器星敏感间姿态测量基准偏差在轨标校及性能评估问题进行研究.建立包含敏感器安装误差与测量误差的星敏感器模型,针对两种不同形式的安装误差模型,推导出相应的观测方程,基于卡尔曼滤波方法设计相对基准偏差估计器,并比较分析两种估计器实际应用特点.然后针对在轨实际应用,给出一种基于敏感器光轴夹角的标校性能评估方法,通过数学仿真验证星敏感器相对基准偏差的标校的有效性,并基于在轨数据的标校应用获取相对基准偏差在轨特性.     

电磁航天器编队动力学建模与运动规划方法

基于电磁航天器作用原理,利用拉格朗日方法,建立电磁航天器“绳系”动力学模型.基于偏差线性化动力学模型,以切向、径向编队为例,分析编队构型保持稳定性,设计构型保持控制律;将双星电磁航天器编队(EMFF,Electromagnetic Formation Flight)重构运动规划问题转化为标准优化问题,利用高斯伪谱优化方法进行求解.并提出序列控制策略,将该双星模型扩展应用于多星电磁编队构型重构问题,转化为多阶段运动规划问题利用多阶段优化方法进行求解.仿真结果表明本文的动力学建模方法和控制方法是可行的.      

质量特性对航天器火工冲击传递影响仿真分析

航天器火工冲击环境复杂，冲击载荷的瞬态、高度非线性等特点，使得冲击响应的准确预示具有一定难度。卫星舱板上分布大量单机设备，其质量特性成为影响火工冲击传递的关键因素。根据火工冲击传递机理，建立了卫星舱板与单机设备的冲击有限元简化模型，计算了舱板上的火工冲击响应。通过与试验数据的对比，误差控制在±35dB内，验证了有限元建模的合理性。以此为基础，研究了火工冲击传递特性，为火工冲击响应预示及卫星舱板布局设计提供了参考。     

有限元分析在航天器产品设计中的应用

 按航天器产品力学环境的试验要求,应用有限元分析软件MSC.NASTRAN系统地对CCD星敏感器进行静态分析、模态分析以及冲击响应、正弦振动、随机振动等动态分析。采用有限元分析方法进行热分析可完善基准镜安装支架的设计。     

航天器轨道机动过程中的自主导航方法

典型的航天器自主天文导航方法利用地球敏感器和星敏感器的观测信息,根据轨道动力学模型和测量信息,采用扩展卡尔曼滤波算法（EKF）估计航天器位置矢量。为了在航天器轨道机动过程中减小滤波器的估计误差,设计了用于航天器自主导航的自适应鲁棒扩展卡尔曼滤波（AREKF）算法。仿真结果表明,采用AREKF算法能够有效地减小推力不确定性的不利影响,在不增加导航敏感器的前提下改善系统的导航性能,取得优于传统EKF算法和自适应扩展卡尔曼滤波（AEKF）的估计精度。     

多星敏感器测量最优姿态估计算法

多数利用星敏感器加陀螺组合的姿态确定方法中,由于星敏感器精度较高,使得系统定姿的精度比较高.然而,姿态确定的算法因观测模型和误差处理不当,导致滤波器观测修正能力下降,从而不能有效地估计陀螺的漂移误差.提出了基于星敏感器观测姿态角的误差建模,研究了多星敏感器组合的最优安装构型和观测融合方法.利用加权最小二乘法对观测数据的预处理,使观测方程定常化.再利用陀螺加星敏感器组合的扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filtering)对航天器姿态和陀螺漂移进行估计.仿真结果表明,提出的多星敏感器最优组合的滤波方法能够有效精确地估计卫星三轴姿态和陀螺漂移,且该方法计算量小,有利于卫星定姿系统的在轨自主运行.     

星敏感器误差分析与补偿方法

星敏感器是目前航天器精度最高的姿态测量部件,其误差是影响姿态确定系统精度的关键要素.依据误差频率特性,系统地对星敏感器误差进行分析,主要阐述星敏感器低频误差和高频误差产生的原因以及当前的抑制与补偿方法.在此基础上,根据星敏感器误差的特点,展望星敏感器低频误差以及高频误差抑制与补偿方法的发展趋势.     

一种利用星敏感器的航天器自主定位方法

提出用星敏感器和地平仪测量星光与地平之间的“星光仰角”为观测量，用推广卡尔曼滤波方法来实时估计航天器的最佳位置的自主定位方法。分析比较了同时瞄准恒星的个数、星敏感器的精度以及改变采样周期对航天器定位误差的影响。     

一种典型盘式单向阀的动力学建模与优化设计

盘式单向阀特性对其簧片参数十分敏感,为了提高阀的高频工作性能,针对典型的三曲梁式簧片结构,研究了一种通用的单向阀动力学建模与优化方法.建模过程中,给出了簧片关于曲梁宽度、弧度及簧片厚度等参数的插值模型,利用有限元方法获得了插值参数.在此基础上,推导了整个盘式单向阀的动力学模型.利用粒子群优化方法对簧片参数进行优化,设置模型输入为正弦压力信号,优化目标为阀的净输出流量最大.优化结果表明:随着工作频率提高,簧片最优厚度增大,同时单向阀最大净输出流量减小.实验与仿真结果一致,证实了上述方法简单可行,可用于工程实际中合理设计和选择盘式单向阀.     

一种八质量MEMS陀螺模态频率分析方法

针对结构八质量MEMS陀螺在工作模态频率迭代设计过程中效率低下的问题,提出了一种模态频率解析分析方法。首先,根据八质量MEMS陀螺谐振子的构成方式是由集总质量按旋转对称的排布方式通过单向刚度柔性梁连接形成整体的特点,将其等效简化成一个质量-弹簧模型。然后,采用拉格朗日方程建立16自由度的质量-弹簧等效模型的动力学方程;考虑到八质量MEMS陀螺的工作模态振型特点,对动力学方程做出针对性的简化,提取其中的质量矩阵和刚度矩阵,求解质量矩阵和刚度矩阵行列式的特征值,通过逆推法筛选出符合工作模态振型特点的特征值,即为所需的工作模态频率。本文所提出的解析分析方法与有限元仿真频率偏差为12.8%,验证了所建频率分析模型的可行性。与有限元仿真所需的复杂建模流程相比,这种模态频率分析方法只需柔性梁的刚度以及质量块的质量,便能计算出工作模态的频率,因而能有效开展全局动力学模态分析,获取动力学最优解。     

磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的拓扑优化设计

建立磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的有限元分析模型,对控制力矩陀螺框架结构进行模态分析,阐述了框架结构优化设计的基本思路.结合双向渐进优化算法拓扑优化理论,基于通用有限元分析软件ANSYS的参数化设计语言和二次开发语言,开发了连续体拓扑优化模块.以框架结构的最低阶频率值为约束条件,以框架结构质量最小为优化目标,引入名义应力的概念,建立框架结构固有振型与名义应力的关系,实现了磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的动态拓扑优化,扩展了双向渐进优化算法的应用范围.优化后的结构构型具有更为合理的质量和刚度布局,频率提高11.49%,质量减少5.65%.     

三维点阵结构等效热分析与优化方法

为了实现三维点阵结构高效、准确的热传导分析,基于热力学原理,推导了点阵结构的热传导等效计算公式,提出了热传导等效分析模型的建模方法。运用等效建模方法,建立了点阵结构的等效有限元模型,通过对比非等效有限元模型的计算结果,证明了等效有限元模型热传导分析的高效性与准确性。针对功能与性能要求下的点阵结构优化设计问题,结合所提出的热传导等效分析方法给出了点阵结构优化方法并建立优化数学模型,利用混合整数序列二次规划（MISQP）算法进行迭代计算,得到了最优设计方案,使点阵结构在满足均热性能约束的同时质量得到了降低。      

基于等效梁模型的长直机翼动力学与颤振分析

针对多自由度的复杂结构,建立简化的等效结构模型,可以快速、有效地进行结构分析.采用能量等效的方法,将多自由度、结构复杂的长直结构等效为空间梁,推导得出等效梁的刚度值和惯量值,利用有限元法得到总体刚度阵和质量阵.针对某机翼模型,得出了等效梁的刚度值和惯量值,进行了振动和颤振特性分析,并分别与有限元软件的计算结果作了对比.结果表明:该等效建模法大大降低了结构自由度,振动及颤振分析误差较小,而且其主要参数值方便修改,因此该方法可用于飞行器的初级设计或结构优化设计.     

复材蒙皮的硬涂层阻尼减振设计与优化方法

针对民用飞机复材蒙皮的局部振动问题,提出复材蒙皮的硬涂层阻尼减振设计方法,并综合考虑涂覆硬涂层对蒙皮结构的附加质量和固有特性影响,对硬涂层减振性能进行多参数优化。基于有限元法和经典层合板理论,建立复材蒙皮-硬涂层复合结构动力学方程,并以共振峰值降低量最高为目标、给定质量增加和固有频率变化范围为约束条件,采用可行方向法求解获得硬涂层材料性能参数和涂层厚度参数的最佳组合结果。优化算例表明,通过合理设计硬涂层的材料弹性模量和损耗因子参数组合,可涂覆更薄的涂层获得更高的共振峰值衰减,并将涂覆硬涂层带来的蒙皮结构质量增加与固有频率变化控制在设计范围内,获得最优的减振性能。      

基于Patran/Nastran的结构优化系统的工程应用

采用基于有限元软件Patran/Nastran二次开发的结构优化系统,对两个卫星结构进行了以重量为目标、考虑基频和应力等约束的优化设计.系统由用户在Patran环境下完成问题建模,优化过程中调用Nastran作结构分析并结合二级多点逼近算法寻优.设计对象是由蜂窝夹层板、不同截面形状梁、板壳等组成的典型复杂航天器结构,设计过程中还利用人机交互技术,最终使重量明显降低,为工程部门改进设计提供了依据.算例结果之一与其他结构优化系统结果一致,进一步说明了所开发系统的正确性.     

基于代理模型的QPSO算法及结构优化应用

针对复杂结构的工程优化通常涉及到高度非线性的问题,采用基于迭代的传统优化算法可能无法获得全局最优解。在此研究背景下,文章引入量子粒子群优化算法(Quantum Particle Swarm Optimization, QPSO),提出了基于克里金（Kriging）代理模型的QPSO算法,通过构建环形桁架可展天线动力学性能的代理模型,对环形桁架可展天线结构参数进行了优化设计的应用研究。研究结果表明,基于Kriging代理模型的QPSO算法计算效率较高,环形桁架可展天线的基频及最大冲击响应面非线性特征显著,并通过将计算所得到的最优解与有限元解进行对比,验证了此方法的计算精度。由此可见,此方法的研究可为复杂结构的优化设计、研制提供一定的参考。     

太空发电站参数化有限元建模与设计平台

在进行太空发电站的动力学与控制研究时,由于其结构尺寸庞大,单元与节点众多,传统有限元建模方法效率极低,通常只能将其假设为刚体或刚柔耦合系统,但这种近似简化处理必然会导致真实动力学特性的缺失。因此,文章提出一种太空发电站参数化有限元建模方法并建立设计平台,旨在缩短有限元建模周期,提高太空发电站设计、分析与优化的效率。以平台式太空发电站为原型,介绍了其基本参数与有限元模型。定义了易用的有限元节点与单元编号规则并给出了参数设置过程。借助APDL、UIDL,以及TCL/TK的混合编程技术,建立了太空发电站参数化有限元模块及设计平台,利用简单的菜单及人机交互界面实现电站的参数化有限元建模,设计人员从输入参数到开始建模的前处理时间不会超过2min,提高了建模效率。     

基于二级多点逼近算法的航天器结构优化设计

在某新型卫星结构研制的初样阶段,建立了卫星初始设计的有限元模型.以主承力桁架结构中各梁的截面尺寸为设计变量,考虑整星模态频率和强度约束,建立了以结构重量最轻为目标的优化模型.应用二级多点逼近优化算法进行了结构优化计算,在每一个计算周期中,原结构优化问题先转化为具有较高精度的第1级多点近似问题,该问题则通过可由对偶法快速求解的第2级近似问题逼近.经过初步试算、设计改进和再优化3个阶段,设置并进行了一系列的优化计算,逐步明确了设计的方向和各结构参数的取值范围,得到了合理的可行方案,为该卫星平台结构初样的详细设计提供了参考,同时表明所采用的优化方法适用于工程结构优化问题.