Space weather center in Japan

Progress in information technology has enabled to collecting data in near real-time. This significantly improves our ability to monitor space weather conditions. We deliver information on near real-time space weather conditions via the internet. We have started two collaborations with space weather users. One is a measurement of geomagnetically induced current (GIC) of power grids in collaboration with a Japanese power company. The other concerns radiation hazards for aircrews. The radiation exposure level for aircrews was been determined by the Japanese government by the end of 2005. The proposed upper limit is 5 mSV a year. We are actively seeking ways to contribute to this subject. Our activities at the Japanese space weather center are reported in this paper.     

Regeneration of organs and tissues in lower vertebrates during and after space flight.

In this paper most important data obtained in studies on the effect of space flight conditions on regeneration in the adult newt are summarized. We demonstrate a phenomenon of synchronization of limb and lens regeneration and increase in its rate during and after space flight. We also describe a peculiarities of cell proliferation in lens, limb and tail regenerates and of the process of minced muscle regeneration.     

空间机器人双臂捕获航天器操作的无源自抗扰避撞从顺控制

针对空间机器人双臂捕获非合作航天器过程中避免关节受冲击破坏的避撞从顺控制问题,在机械臂与关节电机之间设计了一种由旋转型串联弹性执行器（RSEA）构成的弹簧缓冲装置.通过缓冲弹簧变形来吸收捕获碰撞阶段产生的冲击能量,并采用合理的避撞从顺控制策略,保证镇定运动阶段关节受到的冲击力矩限制在安全范围内.应用拉格朗日方法及牛顿elax-elax欧拉法,分别建立捕获前双臂空间机器人开环系统及航天器系统动力学模型;结合冲量定理、闭链系统位置及运动学关系,得到捕获操作后两者所构成闭链混合体系统的动力学模型.为实现失稳混合体系统的镇定,提出了一种基于无源性理论的自抗扰避撞从顺控制方案.此外,运用最小权值范数法对机械臂各关节力矩进行分配,保证了各臂协调操作.通过数值模拟,验证了缓冲装置的抗冲击性能及控制策略的有效性.      

转动惯量存在不确定性的挠性航天器动态自适应滑模姿态控制

针对存在转动惯量不确定性和外部干扰的挠性航天器,首先构造了一个部分状态观测器估计挠性模态,然后设计自适应律对转动惯量不确定性和外部干扰组成的函数的上界进行估计。最后,在设计的观测器和自适应律的基础上,建立了挠性航天器的基于部分状态观测器的自适应滑模姿态稳定控制律。采用Lyapunov方法证明了在挠性航天器存在转动惯量不确定性和外部干扰时, 所设计的自适应滑模姿态控制律能使闭环航天器姿态系统稳定。最后, 通过数值仿真例子验证了所提出方法的有效性。     

移位损伤剂量模型及其应用

首先描述了移位损伤的机理及其影响器件性能的机制,引入了适合航天器工程抗辐射加固设计使用的移位损伤剂量模型,探讨了其在CCD器件电荷传输效率CTE,Si器件平均暗电流以太阳电池阵输出功率等工程参数衰降中的应用,介绍了建立的基于移位损伤剂量模型的空间环境中CCD器件CTE衰降预测模式,其结果与欧空局空间环境信息系统的计算结果相吻合．该程序在光电器件抗辐射加固设计中具有重要的应用价值．     

空气域与流体域耦合作用下双层电池包散热特性

多层垒叠电池包内空气域的存在使各层模组热流场耦合在一起,从而影响电池模组的散热性能。以方形双层电池包为研究对象,建立考虑电池模组与空气对流换热的液冷热模型。该模型中电池发热功率基于试验测定结果,前处理软件采用ANSA确保仿真精度,后处理软件采用CFX,对在不同放电倍率、冷却液进液方向和进液流量下双层电池结构中空气域对液冷热管理系统热行为的影响进行了研究,并与不考虑空气域同工况仿真结果对比。结果表明:空气域的存在不会对液冷双层电池包上下层模组温度分布产生影响;但可以降低上下层模组间的温差,其中上下层模组最高温升的差值最大可降低49.1%,改善了整包电池温度的一致性。      

Instrument concept and preliminary performance analysis of GLORIA

The Global Radiance Limb Imager Experiment for the Atmosphere (GLORIA) shall provide a detailed global picture of the upper troposphere/lower stratosphere region (UTLS) and make available novel information on small-scale atmospheric dynamics.

The instrument will be a space borne imaging Fourier Transform Spectrometer operating in the thermal infrared spectral region. It will produce spectrally resolved images of the earth’s limb with a vertical extension of 60 km and a horizontal extension of 400 km. The paper focuses on the preliminary instrument concept and on results of studies concerning sensitivity and spectrometric performance. GLORIA has been proposed as a national German space mission. An aircraft version is currently under development.     

基于FPGA的嵌入式步进电机恒流控制系统设计与实现

长期在轨运行的航天器需具备补加推进剂功能,补加过程通过步进电机驱动浮动连接机构实现。在保证航天器稳定运行在轨补加前提下,从简化软件设计角度出发,本文提出步进电机相电流自适应闭环控制方案,即通过比较器完成电流硬件比较,由FPGA根据比较结果对步进电机相电流进行恒流斩波,以控制步进电机相电流误差不大于10%,从而保证浮动连接机构平稳运行。为验证步进电机相电流控制效果,通过仿真和实验的方法进行测试,测试结果表明,基于FPGA恒流斩波的闭环控制方式可以有效地将步进电机相电流误差限定在10%范围内。     

我国早期原子钟研制历程回顾

“2019全国时间频率学术会议”是由四个专业委员会联合每两年举办一次的20周年纪念会。20年来，我国原子钟事业已有长足发展，成为世界上原子钟研制与开发的大国。但总体上说，我们的工作还是以跟随为主，真正属于自主创新的较少。不改变这种局面，我们还难以成为独立自主的时间频率强国，为国家经济和国防建设作出应有贡献。本文回顾了我国原子钟研发的情况，提到一些从基础研究上属于原始创新的案例。阐述了这些案例是在简陋的实验条件下依靠对原子钟内各类实验现象进行深入的物理分析基础上出现的。同时，也指出了在比较粗糙的工艺条件下实现精细的技术指标中能工巧匠所起的特殊作用。文章也约略提到国内各单位间无私协作的崇高精神。本文将讲述一些故事，并就原子钟产业的问题表示一点看法。中国要实现“强国梦”，阻力和困难还很多很艰巨，我们必须拥有丰富的原始创新来加以克服。为此，坚韧的奋斗钻研精神和传统仍不失借鉴与继承意义。     

微重力环境中的气体质量流量控制器研究

提出了一种高可靠气体质量流量控制器设计. 介绍了该流量控制器的原理和结构. 通过比较不同的气体流量传感器和阀门, 选择了可满足空间科学实验设备可靠性要求的MEMS传感器和针阀. MEMS质量流量计的输出电压(代表实际气体流量), 经过减法电路放大和A/D采样之后, 与设定电压(代表设定的气流流量)进行比较, 差值信号输入给PID控制器, 由其输出步进电机的控制脉冲数和方向, 步进电机驱动器驱动电机调节流过针阀的气体流量, 使之与设定流量相等. 给出了利用该气体质量流量控制器控制氧气流量的实验结果. 该系统可实现流量的灵活调节, 并具备空间科学实验设备所要求的性能, 为未来在空间利用气体流量连续可调的质量流量控制计进行燃烧科学实验奠定了基础.      

基于波导缝隙天线的TEM室频率扩展方法

为突破实际测试当中的局限,研究了横电磁波传输（TEM）室频率范围的扩展方法。运用电磁场与微波技术相关原理,通过分析TEM室壳体开缝对高次模的影响,利用壳体表面电流分布变化规律和波导缝隙天线原理重新解释了开缝对高次模的抑制作用,进而提出了一种TEM室壳体表面开缝的设计方法。通过电磁场数值仿真,验证了抑制高次模工程方法的有效性,并对其控制参数和约束条件的准确性进行了分析评估;通过加工实物并进行实测,进一步验证了新方法的效果。仿真与测试结果表明,开缝抑制高次模的工程方法能够在不减小测试空间与影响主模传输的前提下,将测试带宽扩展了42.9%。      

Fundamental studies concerning planetary quarantine in space.

If there is a possibility that the organisms carried from Earth to space can live for a significant period on planets, the contamination of planets should be prevented for the purpose of future life-detection experiments. In connection with quarantine for interplanetary missions, we have examined the survivabilities of terrestrial microorganisms under simulated space conditions. In this study, examined the survivabilities of terrestrial organisms under simulated Mars conditions. The Mars conditions were simulated by ultraviolet (UV) and proton irradiation under low temperature, high vacuum, and simulated gaseous conditions. After exposure to the simulated Mars condition, the survivabilities of the organisms were examined. The spores of Bacillus subtilis and Aspergillus niger, some anaerobic bacterias and algaes, showed considerably high survivabilities even after UV and proton irradiation corresponding to 200 years on Mars. This subject is not restricted to academic curiosity but concerns problems involving the contamination of Mars with terrestrial organisms carried by space-probes.     

网联混合动力汽车能量优化控制

能量管理策略是混合动力汽车的核心技术之一,决定了车辆的燃油经济性和排放性能。针对现有混合动力汽车的能量管理都是基于固定工况开发而没有考虑实际道路工况的问题,基于智能交通系统（ITS）和专用短程通信技术（DSRC）获取的道路交通信息和周边车辆信息,提出了一种网联混合动力汽车分层能量控制方法。其中,上层控制器利用道路交通信息和模型预测控制算法预测车辆的最优目标速度并计算出需求转矩;下层控制器利用上层控制器获得的目标车速信息,实现最优车速跟随,并使用模糊神经网络控制算法优化发动机和电动机之间的转矩分配以降低燃油消耗。仿真结果表明:与传统的能量管理策略相比,所提方法可以有效避免车辆在红灯时停车,车辆的燃油消耗率降低了34.88%,HC、CO和NO_x的排放分别降低10.59%、66.19%和1.05%,提升了混合动力汽车的燃油经济性和排放性能。      

具有死区特性的空间机器人基于干扰观测器的L2反步控制

研究了载体位置及姿态均不受控时空间机器人在惯性空间中的轨迹跟踪问题.考虑到系统存在参数不确定及死区特性等情况,提出了一种基于干扰观测器的L₂反步控制方案.结合拉格朗日方程和系统Jacobi关系矩阵建立系统的动力学模型.利用干扰观测器对系统建模误差进行观测补偿,并通过L₂干扰抑制法对观测误差进行消除,同时采用死区模糊补偿器对系统死区特性造成的影响进行补偿.该控制方案不需要预知准确的惯性参数,不用对惯性参数进行线性化处理,并且不要求估计系统不确定项和死区参数的上界,从而简化了系统的控制.数值仿真证明了该控制方案的有效性.      

基于自适应二阶终端滑模的SRM直接转矩控制

传统的直接转矩控制（DTC）可以在一定程度上减小开关磁阻电机（SRM）的转矩脉动,但是在换相区的转矩脉动抑制效果较差,并且传统的PI控制存在超调量大、鲁棒性差、抗负载扰动能力有限的缺点。因此,设计了基于负载转矩变化率自适应估计的二阶终端滑模转速控制器,在有限时间内使得系统状态迅速收敛到平衡点,实现无需已知扰动上界快速输出给定转矩。此外,对传统的扇区规则进行改进以优化电压矢量的选取,减少由于换相产生的转矩脉动。仿真和实验结果表明:改进后的DTC系统拥有良好的调速控制性能,抗干扰能力强,鲁棒性好,能进一步减少转矩脉动。      

太赫兹大气临边探测仪遥感中高层大气风仿真

太赫兹大气临边探测仪(TALIS)是中国正在预研的第一台THz频段的临边探测仪,主要用于高精度、高分辨率的大气遥感测量.TALIS的观测目标主要包括大气温度、大气压强、大气成分(例如H2O,O3,HC1,CIO,N2O,HNO3等)的垂直分布以及长期变化趋势.由于TALIS的频段覆盖了许多重要的吸收谱线,其观测数据中包...     

基于神经网络的自由漂浮空间机械臂 自适应鲁棒控制

针对自由漂浮空间机械臂动力学模型难以精确获得,且无法表达为关于未知参数的线性形式问题,提出基于自适应神经网络的鲁棒控制方法.对于不确定性空间机械臂系统模型中存在的未知不确定部分,利用神经网络的万能逼近特性,设计神经网络控制器来补偿未知模型,避免传统控制中的保守上界估计;采用泰勒线性化技术将神经网络隐含层中的高斯函数线性化,设计包括网络权值、高斯中心及宽度在内的网络全参数自适应学习律,实现在线实时调整,提高控制精度;设计鲁棒自适应控制器来抑制外界扰动,并补偿逼近误差,提高系统鲁棒性;基于Lyapunov理论证明闭环系统的一致最终有界（UUB）.仿真试验表明所提控制方法能够获得较好控制效果,对空间机械臂控制具有一定工程应用价值.     

Study of adaptation to altered gravity through systems analysis of motor control.

Maintenance of posture and production of functional, coordinated movement demand integration of sensory feedback with spinal and supra-spinal circuitry to produce adaptive motor control in altered gravity (G). To investigate neuroplastic processes leading to optimal performance in altered G we have studied motor control in adult rats using a battery of motor function tests following chronic exposure to various treatments (hyper-G, hindlimb suspension, chemical distruction of hair cells, space flight). These treatments differentially affect muscle fibers, vestibular receptors, and behavioral compensations and, in consequence, differentially disrupt air righting, swimming, posture and gait. The time-course of recovery from these disruptions varies depending on the function tested and the duration and type of treatment. These studies, with others (e.g., D'Amelio et al. in this volume), indicate that adaptation to altered gravity involves alterations in multiple sensory-motor systems that change at different rates. We propose that the use of parallel studies under different altered G conditions will most efficiently lead to an understanding of the modifications in central (neural) and peripheral (sensory and neuromuscular) systems that underlie sensory-motor adaptation in active, intact individuals.     

发动机-变量泵-变量马达驱动系统分层控制

为充分发挥工程车辆用发动机及液压系统的工作性能,并同时提高其在动态条件下的功率传递效率,对发动机-变量泵-变量马达(三变量)组成的串联型液压驱动系统控制策略进行研究.对驱动系统各个部分进行参数匹配,确定各环节的额定计算工况; 提出自适应分层控制策略,以系统效率最大化为目标,主动调节发动机、变量泵以及变量马达的工作点,主动适应负载功率需求.在MATLAB/Simulink软件中对系统进行后向建模,仿真结果表明,所提出的控制策略能够有效地保证系统高效率的功率传递,通过优化发动机工作点降低油耗.