空间电推进应用及技术发展趋势

充分调研分析了国外空间电推进技术及典型应用情况,详细介绍了电推进在GEO卫星位置保持和轨道转移、深空探测主推进、中低轨道航天器无拖曳控制与高精度姿态控制、空间太阳能电站轨道维持等领域的空间应用情况。对电推进在国内不同领域的应用需求进行了分析,包括GEO卫星位置保持和全电推进、近地小行星探测等深空探测主推进、低轨航天器无拖曳控制和轨道维持、(超)低轨小卫星编队飞行及(微)小卫星精确轨道控制和空间太阳能电站轨道维持等任务。电推进技术正朝着高功率、大推力、低功率、微小推力、宽功率范围推力连续可调、高比冲、长寿命和多模式方向发展。针对电推进在不同应用领域的需求及电推进技术发展方向,提出了我国未来20年拟开展的电推进技术研究项目。     

基于无速度测量的无拖曳卫星自适应控制方法

为了实现无拖曳（Drag Free）卫星中卫星本体对内部质量块的高精度跟踪,首先推导了近地环境下卫星与质量块的相对运动动力学方程,并分析了影响二者相对运动的主要干扰源。针对位移模式单质量块Drag Free卫星只能获取质量块与卫星相对位置测量,设计了自适应控制器,适用于卫星质量和空间干扰为定常或慢变未知量的情况,且在卫星质量和外部干扰为未知常值的假设下,控制器能够保证卫星对质量块跟踪误差的全局渐近收敛。最后给出了仿真场景以说明本文方法的有效性。     

基于产品保证的卫星可靠性保证机制与作用的研究

文章根据国内卫星可靠性保证的现状,与NASA、ESA等进行了对比分析,结合GJB 450A要求,研究了基于产品保证下卫星可靠性保证模式及其运行机制,并探讨了可靠性保证对卫星稳定运行和可靠性增长的内在作用。研究表明,产品保证下的可靠性保证是卫星可靠性的必然趋势,基于全寿命周期的使用和耐用开展可靠性的设计、分析、试验和管理工作是卫星可靠性保证的重点,必须加强卫星可靠性发展的基础研究。     

高分多模卫星工作模式设计与在轨验证

针对高分多模卫星多有效载荷、大数据量、复杂敏捷成像等特点,根据多用户对图像质量、成像模式、获取时效性等应用需求及设计约束,提出了高分多模卫星发射入轨、轨道控制、正常运行、任务执行等各工作模式。其中,针对任务执行模式的敏捷成像模式、数据存储与传输模式、特定区域快速获取模式进行了详细论述。在轨测试结果表明:高分多模卫星工作模式设计正确、合理,卫星任务执行效率高、运行稳定,可以满足用户使用要求。     

基于实测数据的卫星公路运输动力学特性仿真分析方法

为解决卫星运输跑车试验耗时耗力的问题,采用仿真方法研究了卫星在公路运输过程中的动力学特性。先基于大量实测数据,建立仿真分析输入谱;再通过Patran/Nastran有限元软件建立包装箱–卫星的联合仿真模型,对经过组合体模态试验修正后的模型进行了模态分析和随机振动响应分析,得到了模型的前6阶模态振型以及关键部位的加速度和应力响应RMS值。结果表明:联合仿真模型各部位的应力RMS值远低于材料屈服极限,卫星结构具有足够的安全裕度。该仿真分析方法可以准确有效地分析卫星在运输过程中经受的力学环境,为卫星结构及包装箱设计提供依据。     

面向地震应用的SAR卫星及星座总体研究

根据我国地震灾害的特点,地震相关领域对SAR卫星的图像监测、科学数据采集条件和灾害应急等有着特殊的要求,反映在SAR卫星系统设计中,需要对图像指标、工作模式、重访周期、卫星编队或组网等方面进行特殊设计。文章从单颗卫星系统、卫星编队系统及卫星星座系统三个方面进行了地震应用的SAR卫星总体研究。     

绳网拖曳带帆板失效卫星的波动控制

针对带有柔性太阳帆板的失效卫星,提出了一种基于波动控制理论的控制方法,同时实现了绳网拖曳过程中稳定碎片姿态与抑制帆板振动两个目标。首先,提出一种新的绳网简化结构,用Kane方法建立了动力学模型,使其能够在保证运算效率的同时具有更高的精度。然后,针对系统特性设计了波动控制策略,仅需要输入系绳张力的大小和方向,便能通过拖船位置的改变来消除失效卫星的自旋和帆板振动。最后,通过数值仿真验证了控制律的有效性。仿真结果表明,在控制律作用下的拖曳过程中,失效卫星的姿态能够快速稳定,同时帆板的振动也得到了良好的抑制。     

遥控指令锁定电路的安全裕度分析

为提高遥控指令锁定电路的可靠性与安全性,结合卫星产品的研制流程与技术特性,提出一种卫星关键电路的可靠性分析流程。针对某型号遥控指令锁定电路在温度环境试验中的不稳定问题,定量分析了不同参数条件下的电路稳定性,利用电路重要参数的设计裕度范围确定了最佳的电路设计参数,保证了电路在可接受的最差应用条件下至少有67%的安全裕度。实际最坏情况下的试验表明,电路的各项参数与设计的容差范围一致,可靠性和安全性得到充分保证。     

航天器微振动环境分析与测量技术发展

文章分析了航天器在轨运行时出现的准稳态加速度、瞬变加速度、振动加速度的来源及对航天器产生的影响。介绍了美国、欧空局及我国的航天器微振动测试技术现状。并就Olympus卫星、Oicets卫星和我国“神舟”号飞船的情况,深入讨论了微振动测试的方法与结果。     

主动段姿态控制参数与稳定裕度映射关系研究

针对固体导弹(火箭)主动段姿态控制系统,采用解析方式分别建立了控制参数与幅值裕度和相位裕度之间的映射关系。该映射关系不依赖于模型参数,在该映射关系的基础上,可以快速得到与期望的稳定裕度变化量对应的控制参数的变化规律,即可用于实现稳定裕度的在线调节。仿真结果表明,利用该映射关系较好地实现了稳定裕度的在线调节。     

Differential drag spacecraft rendezvous using an adaptive Lyapunov control strategy

This paper introduces a novel Lyapunov-based adaptive control strategy for spacecraft maneuvers using atmospheric differential drag. The control forces required for rendezvous maneuvers at low Earth orbits can be generated by varying the aerodynamic drag affecting each spacecraft. This can be accomplished, for example, by rotating dedicated sets of drag panels. Thus, the relative spacecraft motion can be controlled without using any propellant since the motion of the panels can be powered by solar energy. A novel adaptive Lyapunov controller is designed, and a critical value for the relative drag acceleration that ensures Lyapunov stability is found. The critical value is used to adapt the Lyapunov controller, enhancing its performance. The method is validated using simulations. The results show that the Adaptive Lyapunov technique outperforms previous control strategies for differential drag based spacecraft maneuvering.     

无阻力双星编队的满系数矩阵MIMO定量反馈控制

研究由两颗无阻力卫星构成的、用于重力场测量的松散式编队相对位置控制方法,主要解决编队控制所产生的非重力加速度在重力场测量频带内的干扰抑制问题。首先,选取双星位置中点作为编队系统质心,建立了考虑J2摄动项的双星相对动力学模型。然后,根据定量反馈理论（QFT）确定系统在频域内的跟踪性能、鲁棒稳定性、输入干扰抑制等约束。与当前常规的对角型QFT控制器设计方法不同,本文针对编队系统的多输入多输出（MIMO）通道强耦合特性,设计了更具一般性的满系数矩阵鲁棒控制器,不但实现了闭环控制回路整定、通道解耦和稳态收敛,还有效抑制了编队控制量功率谱在科学测量频带内的干扰。最后,通过在时域中的数字仿真校验了该方法控制器的有效性和鲁棒性。     

航天器太阳能电池阵驱动系统激扰因素辨识与扰动机理分析

建立了典型太阳能电池阵驱动系统(SADS)精细动力学模型，开展了扰动特性地面试验测试，讨论了产生扰动的必要条件，分析了直接激扰因素及其对应扰动的时频特点。结果表明：所建动力学模型分析结果与试验测试扰动数据吻合良好(误差<10%)；刚体转动角加速度和模态振动加速度不同时为零是引起驱动系统扰动的前提条件；细分驱动、电机磁场非线性、时变齿轮啮合参数等是驱动系统的主要内部激扰因素；扰动力矩一般均具有周期变化特点，扰动成分集中在激扰频率及其高倍频附近，扰动幅度随细分驱动步距、齿槽激扰幅度、电磁激扰幅度和啮合参数变化幅度的增大而提高。     

虚拟高频采样控制方案及在姿控系统中的应用

提出了一种新的控制方案,即虚拟高频采样控制方案,对其进行了详细的理论分析,并在此方案基础上应用离散域设计方法完成了某飞行器的稳定性分析,进行了半实物仿真试验,结果表明,系统有足够的稳定裕度,各项性能指标满足设计要求.     

基于自适应带通滤波的航天器正弦扫频试验数据处理方法

为解决传统STFT(Short Time Fourier Transform)方法因非同步采样引起频谱泄漏,造成频域曲线幅值降低,产生较大误差的问题,提出一种基于频域带通滤波的数据处理方法,通过在频域逐次移动带通滤波器的中心频率,获得信号中各个频率分量幅值的最大值。利用该方法对某载人航天器搭载的力学参数测量系统在整器正弦振动试验中采集的数据进行频谱分析,结果表明,该方法可有效获取力学参数测量系统各测点的频率幅值曲线,减少传统STFT方法产生的能量泄漏的影响。研究成果也可用于不依赖振动控制仪或无COLA通道的数据采集系统正弦振动试验的数据处理。     

一种高稳定度帆板驱动系统的T-S模糊复合控制器

为减少帆板驱动机构（SADA）对太阳帆板挠性模态的激励作用,以扰动力矩较小的永磁同步电机(PMSM)作为驱动源,提出一种T-S模糊控制与校正网络相结合的控制方法。利用校正网络增加系统的相位裕度和增益,并通过T-S模糊控制器降低系统的超调和非线性摩擦的影响,从而有效抑制太阳帆板的振动。通过圆判据对带有此控制器的驱动系统进行了稳定性证明,很好地解决了模糊控制系统在摩擦扰动下难以进行频域理论分析的缺陷。仿真结果表明,在非线性摩擦等扰动的影响下,该控制方法能够很好地抑制太阳帆板引起的挠性振动,提高系统的速度精度和稳定度,具有较好的动态性能。     

惯性测量系统测试有效期评估方法研究

惯性测量系统测试保持期或称有效期是武器系统使用中的一项重要指标,决定了定期标定的间隔和频率。过去装备交付对惯性测量系统测试保持期指标验收采用逐一进行稳定性测试的方法。本文提出一种新的抽样检验、数理统计的评估方法对测试保持期指标进行评估验收,适用于现役型号性能改进提高的指标评估,可大大减少动用装备数量和测试试验次数,并可节省对装备使用寿命的消耗。     

利用气浮技术进行贮箱晃动试验方法研究

针对某型号大容积贮箱,其晃动特性直接影响到整个系统的动力学特性及轨道控制系统。为了获得该贮箱不同工况下的一阶自由晃动频率,首次提出利用气垫悬浮技术进行贮箱晃动试验的新方法,利用该方法设计出一整套试验系统,该系统包含试验件、激励系统、气浮控制系统、数据采集系统及加注排放系统等。使用试验系统开展不同工况条件下的液体晃动试验,并用CFD软件对该贮箱进行时域分析,结合傅立叶变换最终获得仿真结果。分析比较晃动试验结果、理论计算结果及CFD仿真计算结果,结果显示3种结果一致吻合,测试系统的可靠性和理论CFD仿真结果的正确性均得到验证。     

三体随动跟踪式重力卫星姿态与无拖曳控制方法

采用非接触洛伦兹力执行器代替微推进系统,提出一种“质量块—载荷舱—平台舱”三体随动跟踪式重力卫星总体架构,避免传统低低跟踪重力场测量卫星设计中的质心波动与执行机构带来的动力学不确定性影响。其次,建立了该架构下的卫星姿轨耦合动力学模型,并在此基础上针对动力学非线性耦合项的影响,构建了一种基于带宽参数化自适应补偿的复合自抗扰控制方法,提升姿态与无拖曳控制性能。最后,采用数学仿真验证了所提出的重力卫星总体架构及其控制方法的有效性。仿真结果表明,该方法有效提升了系统的频域性能。