天宫一号大气密度探测数据与模式的比较分析

利用天宫一号的轨道大气环境探测器在2012年12月7日至2013年1月4日,地磁活动平静下的大气密度探测数据,与NRLMSISE-00和JB2008模式进行比较。与实测数据相比,NRLMSISE4）0模式整体高估11．6％,而JB2008整体低估9．8％。JB2008模式在逐日变化趋势方面与实测结果更吻合,更好地反映了太阳辐射对热层大气的影响;而NRLMSISE-00在平静期间地磁活动影响大气密度的变化特征上,比JB2008更符合实测结果。实测结果显示冬季半球日峰值出现时间比夏季半球早,JB2008与实测相符,NRLMSISE-00则与实测相反。整体而言,在天宫一号轨道高度、地磁平静期,JB2008模式优于NRLMSISE-00模式。     

基于星载加速度计反演载人航天轨道大气密度

热层大气密度直接影响低轨道航天器的精密定轨,热层大气密度模型的误差是影响载人航天定轨精度的关键因素。选取400km为载人航天轨道的代表高度,利用CHAMP卫星数据修正热层大气密度模型,进而反演得到2002年的热层大气密度,统计其中长期变化特征,并分析大气密度与太阳活动和地磁活动的关系,得出热层大气密度与两种指数的总体变化趋势一致的结论,且地磁活动与大气密度的相关性更好。同时将大气密度的反演值与神舟三号飞船的实测密度值进行对比,结果显示二者有较好的一致性,其平均残差和均方根误差分别为0．03和0．24,并且地磁平静期的误差明显小于磁暴期。结果表明,利用星载加速度计数据反演载人航天轨道大气密度是一种有效的方法。     

载人航天轨道大气密度模式修正研究

热层大气密度模式的误差,是影响载人航天定轨精度的关键因素。分析载人航天工程所用Jacchia、MSISE、DTM三类大气密度模式的误差特点,通过比较精度和稳定性,基于现有空间天气参数,选取MSISE模式作为基础模式。研究利用星载加速度计数据反演载人航天轨道大气密度的方法,以验证我国载人航天轨道实测数据的精度;同时利用天宫一号以及神舟二号、三号、四号实测密度数据,以及相应的航天测控数据,分析模式误差与地方时、纬度和高度因素之间的关系,讨论建立合适的三维误差库来存储模式误差的方法,研究平均误差修正法和加权误差修正法,建立NRLMSISE-00的误差修正模式。修正结果应用于交会对接任务,与完全不修正时模式平均11.44%的误差相比较,两种修正方法的误差均明显减小,分别为5.41%和4.99%;其中平均误差修正法和加权误差修正法在未来1天、2天、3天的修正结果的误差分别是4.06%、3.73%,6.06%、5.78%,6.13%、5.72%,表明提前1天的修正效果最好;同时比较累积1-5天的误差库滑动也可以看出,误差库累积1天的效果相对较好;比较两种方法的预测效果显示,加权误差修正法优于平均误差修正法。研究表明基于三维误差库的模式修正方法显著提高了载人航天轨道大气密度预测精度,可为交会对接等载人航天任务提供技术支持。     

载人航天轨道大气密度模式修正研究简

热层大气密度模式的误差,是影响载人航天定轨精度的关键因素.分析载人航天工程所用Jacchia、MSISE、DTM三类大气密度模式的误差特点,通过比较精度和稳定性,基于现有空间天气参数,选取MSISE模式作为基础模式.研究利用星载加速度计数据反演载人航天轨道大气密度的方法,以验证我国载人航天轨道实测数据的精度;同时利用天宫一号以及神舟二号、三号、四号实测密度数据,以及相应的航天测控数据,分析模式误差与地方时、纬度和高度因素之间的关系,讨论建立合适的三维误差库来存储模式误差的方法,研究平均误差修正法和加权误差修正法,建立NRLMSISE-00的误差修正模式.修正结果应用于交会对接任务,与完全不修正时模式平均11.44％的误差相比较,两种修正方法的误差均明显减小,分别为5.41％和4.99％;其中平均误差修正法和加权误差修正法在未来1天、2天、3天的修正结果的误差分别是4.06％、3.73％,6.06％、5.78％,6.13％、5.72％,表明提前1天的修正效果最好;同时比较累积1-5天的误差库滑动也可以看出,误差库累积1天的效果相对较好;比较两种方法的预测效果显示,加权误差修正法优于平均误差修正法.研究表明基于三维误差库的模式修正方法显著提高了载人航天轨道大气密度预测精度,可为交会对接等载人航天任务提供技术支持.     

利用经验正交函数分解的大气密度模式校准方法

热层大气密度产生的阻力是作用在低轨航天器上最大的非引力摄动,现有大气密度模式存在15%~20%的偏差,难以满足空间任务应用需要。采用NRLMSISE-00模式作为密度参考标准,通过修正Jacchia-Roberts经验大气模式温度参数校准密度,建立温度修正量与密度的参数方程。针对部分区域修正量迭代计算发散问题,采用改进高斯牛顿迭代法求解方程。选择经验正交函数（EOF）分解方法分析修正量的时空特征,并与传统球谐（SH）分析的结果进行比较。结果表明,前4阶EOF基函数与前9项球谐基函数分别可提取温度修正量超过85%与80%的变化特征,EOF分解方法对温度修正量的表示效率高于球谐分析方法。第1阶EOF基函数反映了温度参数的整体偏差,第2~4阶EOF基函数对应的时间系数表明温度修正量的变化具有天周期性,且球谐分析得到的时间系数同样具有天周期性的特点。利用前4阶EOF基函数和前9项球谐基函数重构的温度修正量校准Jacchia-Roberts模式,校准后的模式密度偏差分别下降了9.06%与5.37%,表明EOF分解方法与传统球谐分析方法相比,能够更有效地修正温度参数,改进模式精度。     

大气密度模型用于近地卫星定轨预报的比较

大气阻力是低轨卫星主要的摄动力,与高层大气密度的变化密切相关。由于目前对高层大气密度变化的机制尚未完全掌握,所使用的各种大气密度模型多属于半经验公式。在这些模型中并没有一种在任何情况下都是最好的,因此,对于特定轨道选择合适的大气密度模型对提高定轨预报的精度是非常重要的。通过对资源2号卫星实测GPS数据的分析计算,比较了常用的8种大气密度模型的定轨预报精度,探讨了预报24h应采用的定轨数据长度和大气密度模型。     

基于温度参数的经验密度模式修正方法

大气阻力是影响低轨航天器众多空间操作的重要因素,尤其是经验密度模式,固有的至少15%的误差已经严重制约航天器轨道计算精度的提高。针对广泛应用的经验密度模式,选择物理背景简明的Jacchia71模式,以温度参数Tc和Tx为对象,建立密度相对于上述温度参数的条件方程,推导了密度相对于温度参数的解析偏导数,并给出其最小二乘解。利用CHAMP卫星数据对模式修正结果进行验证,模式平均误差从40%降低至3%左右。通过TG01飞行器的轨道预报比较,修正前后轨道预报误差从2 km降低至1.3 km。经过CHAMP卫星和TG01飞行器的实测数据检验,验证了修正算法的正确性和有效性。     

机载燃油密度传感器高低温静态试验技术

为了验证航空机载燃油密度传感器在高温燃油和低温燃油中的燃油密度测量精度,运用阿基米德原理对高低温静态验证试验技术进行了研究。设计和提出了一种新的高精度航空机载燃油密度传感器高低温静态试验装置和方法。研究结果表明：试验装置密度测量系统的测量最大误差为-0.077%,符合试验装置测量精度为受试品测量精度4倍及以上的规定（受试品测量精度为0.4%）。结果通过了C919总体设计单位和美国Parker公司的评审,能可靠地验证航空机载燃油密度传感器在高温燃油和低温燃油中的燃油密度测量精度,为航空机载燃油密度传感器工程应用和装机试飞提供了试验数据支撑。     

多目标跟踪的核粒子概率假设密度滤波算法

提出一种新的多目标跟踪算法：核粒子概率假设密度滤波算法(KP-PHDF)。算法的创新点在概率假设密度滤波算法(PHDF)的目标状态提取步骤,以粒子概率假设密度滤波算法为框架,并运用结合了mean-shift算法的核密度估计(KDE)理论进行概率假设密度(PHD)分布的二次估计、提取PHD峰值位置作为目标状态估计值。分析与多目标跟踪(MTT)仿真的结果表明,与现有序列蒙特卡罗概率假设密度滤波算法（SMC-PHDF）相比,在相同仿真条件下新算法的估计精度提高30.5%。     

RP-3航空煤油的亚/超临界密度实测和计算方法研究

为了逐步改善高性能空天动力装置研究中液态碳氢燃料物性数据缺乏的现状,设计了一种气动活塞式的密度测量装置,对压力和温度范围分别为1.2~4.0MPa和293~673K的常用液态碳氢燃料——RP-3航空煤油的密度进行了实验测量,并分析了其密度随温度和压力的变化规律。此外,基于PR状态方程进行了真实流体的密度计算,并结合已有的正癸烷(C10H22)密度实验数据对计算过程进行了修正。通过将采用修正后的方法计算出的RP-3航空煤油的密度值与实验测量值进行对比,发现计算值比实验值稍低,尤其在低温阶段和临界点附近。分析认为,这主要是由于此计算方法用于混合物计算时的局限性造成的。     

低轨航天器长期轨道预报的初步研究

低轨航天器的长期管理和维护需要较高精度的长期轨道预报,影响长期预报精度最主要的因素来自低轨航天器所受的大气阻力摄动.借助平均大气密度模型,以340 km高度的低轨航天器为例,研究了低轨长期轨道预报问题.利用基于长弧段的逐天精密定轨,可以修正参考点的平均密度.根据目前积累的数据,通过引入太阳自转周期27 d和半年180 d这2个周期拟合平均密度序列,未来的平均密度可以预报到较高精度.目前的计算结果表明,在此基础上低轨航天器的长期轨道预报精度可以得到保证,在不同算例中表现基本稳定可靠.     

利用光学层析技术重构超声速绕流流场密度分布

在连续式风洞中,采用单光路旋转流场干涉测量和计算机层析方法获得了含模型的超声速绕流流场密度分布。首先利用多种图像处理方法,并引入计算机辅助功能,对干涉图片进行精确判读和定量处理,准确重构波前相位信息;获得了相应的PV值、RMS值以及前15阶的Zemike多项式系数;通过同原始CFD模型波前数据的对比,系统的重构精度RMS优于λ／10。在获得一系列单帧干涉波前相位数据的基础上,采用光学层析技术,设计计算机迭代算法,构造内部旋转矩阵,重构了超声速绕流流场密度分布,可以非常直观地获得待测流场不同方向截面上的密度分布状况。     

超声速湍流密度脉动预测的神经网络方法

针对气动光学效应对湍流密度脉动预测的需求,发展了超声速湍流密度脉动预测的神经网络方法,从直接数值模拟（DNS）的超声速湍流边界层的流场数据中挖掘规律,建立了包含5个隐含层的密度脉动模型。实验结果表明,所发展的神经网络方法可以很好地预测密度脉动均方值,它不仅能很好地预测训练样本,对测试样本预测的精度和稳定性也显著高于传统模型,且具有一定的泛化能力。通过特征选择和加入先验信息,确定了密度脉动模型的7个输入参数特征量,进一步提高了模型的泛化能力和实用性。     

利用DORIS测轨系统实现高精度定轨

仿真研究DORIS测轨系统,重点考察了大气密度模型误差、测量精度、测轨网分布对定轨精度的影响。仿真结果表明,除了测轨网的地理分布,动力学模型中的大气模型误差对中低轨卫星精密定轨结果影响也较大。对ENVISAT卫星的DORIS实测数据进行了定轨分析,结果表明实测数据的定轨精度比仿真精度大约低1个量级不到。综合仿真结果和实测数据进行精度分析,推断对800km高度的太阳卫星轨道,采用8个DORIS信标站布设,24h定轨,定轨三维位置精度可以达到29cm(1σ),其中径向误差为3.4cm(1σ)。若采用30个DORIS信标站布设,定轨精度可提高30%。     

大气密度分层计算时的再入弹道解析解

给出了在考虑阻力系数为速度的函数的情况下,并将大气密度进行分层计算时,估算再入飞行器弹道主要参数的一组解析式。按上述方法进行了仿真计算,并将计算结果,Ｂａｒｂｅｒａ解,有关文献解同数值解进行了比较。结果表明,由于大气密度采用分层计算,更真实地反映了飞行器的再入环境、解析估算值较其它两种解更接近于数值解,完全可用于再入飞行器的再入弹道初步估计和再入性能分析。     

纳卫星激光反射器光机设计及激光测距分析

针对我国首个大气密度探测纳卫星高精度测轨应用需求,设计了重量约112g、有效反射面积大于1cm2、外形尺寸为Φ96mm×20mm的轻型八棱台结构被动型激光反射器,作为无功耗载荷应用于纳卫星激光精密测轨,解决了纳卫星高精度独立测轨和外部轨道精确标定问题。利用地面激光测距台站开展卫星跟踪和精密测量,提供亚厘米级精度的激光测量数据。根据激光雷达测距方程及地面测距系统参数,分析了纳卫星激光回波信号强度,以及激光观测数据精度。测量结果表明,纳卫星激光反射器设计结果与实测数据相符,测距数据精度达8~9mm,可以满足纳卫星高精度激光测距要求,并支持卫星精密定轨及大气密度探测科学任务。     

取样密度对燃烧室试验测量结果的影响

在航空发动机和燃气轮机燃烧室部件试验中,取样密度会对燃烧室出口温度测量结果产生影响,如果取样密度过小,会造成燃烧室出口温度测量值与"实际值"之间偏离度过大。基于此,对3种燃烧室的试验数据进行了分析。同时将试验采集到的"高取样密度"的原始数据沿圆周方向进行均匀"拆分","拆分后"得到不同密度的"低取样密度"数据,将该数据与原始"高取样密度"试验数据的分析结果进行了对比,得出了取样密度与测量偏离度之间的关系,并给出了满足工程研制需要的取样密度。     

MISI90大气密度模型在定轨中的参数输入方式探讨

大气密度模型对以载人飞船为代表的低轨航天器精密定轨及轨道预报有很大影响。在载人航天工程中使用的大气密度模型对于地磁指数和太阳辐射流量的输入有两种方式,即输入固定值和输入分段值。利用MSIS90模型,通过天宫一号目标飞行器的轨道数据分析对比了不同参数输入方式,不同数据长度以及不同地磁指数对定轨和轨道预报的影响。结果表明,数据弧段短且地磁变化不大时,输入固定值的方式获得的轨道预报精度较高;长弧段定轨和长期轨道预报的场合下输入分段值的方式预报精度高,稳定性好,适用范围广,操作更简单。     

磁暴下的LEO卫星精密轨道确定

对低轨卫星（LEO）,大气阻尼摄动是主要的定轨误差源.尤其在发生磁暴时,求解一个大气阻尼因子的定轨方法已不能充分吸收大气密度计算不准所造成的定轨误差,因而在标校统一S波段（USB）的测量系统差和随机差时往往计算失真.本文提出了一种求解折线型Cd因子的新方法,克服了动力学模型不准所带来的定轨误差,通过与独立的GPS数据比较,定轨精度有明显提高,同时给出的测量系统差和随机差更加真实可信.     

航空燃油密度测量技术研究

燃油量是飞机燃油系统的重要组成部分,同时燃油密度的测量又是燃油测量中的一个关键环节,为了进一步研究提高航空燃油密度测量精度的方法,预测燃油测量未来的发展,介绍了燃油测量系统和密度测量的重要性,结合文献分析法和定性分析法进行了总结归纳,论述了各种燃油密度测量方法的基本原理,包括间接法、比重计法、基于谐振技术测量、放射性同位素测量以及超声波测量,并对比分析了各种方法的优缺点,在国内外研究现状的基础上指出了数字化综合化是航空燃油测量技术发展的必然趋势。