航天器姿态机动规划技术研究进展

以航天器多约束姿态控制为背景,围绕姿态机动路径的复杂约束处理问题,对姿态机动规划技术的规划模型、方法研究现状与未来发展趋势进行了论述、分析与归纳。首先介绍了航天器姿态机动规划模型,随后梳理并总结了航天器姿态机动规划技术发展历程及现状,从方法逻辑、设计思想等方面对姿态机动规划方法进行分类和关键技术分析,进一步根据技术发展脉络和未来航天任务需求,提出了航天器姿态机动规划技术的若干发展趋势。     

国外对地观测卫星高精度姿态控制系统研究

简要介绍了国外对地观测卫星研制开发的历史、现状及其发展趋势，分析和研究了对地观测卫星的姿态控制系统，以及这类卫星所采用的技术手段和所达到的控制精度。同时展望了未来对地观测卫星姿态控制系统的技术要求并提出了相应的对策。     

空间站力矩平衡姿态和动量平衡姿态的研究

研究了空间站的力矩平衡姿态(TEA)及动量平衡姿态(MEA)的求解方法。首先定义了瞬时TEA、平均TEA和MEA的概念并建立了环境力矩在本体系下的数学模型;其次用迭代法确定出瞬时TEA,进一步通过求解非线性方程组计算平均TEA,仿真表明在一个轨道周期中空间站保持在平均TEA时所受外力矩的平均值远小于保持在零姿态的情况;最后提出求解MEA的方法,仿真表明空间站保持在MEA的动量积累及其峰值远小于保持在零姿态的情况。     

ZN3火箭姿态测量用太阳角计

本文给出了用于ＺＮ３火箭姿态测量太阳角计的原理和测量结果，讨论了背景抑制和标定方法，分析了误差来源。该仪器采用选取适当探测波段和比值测量方法较好地消除了地外太阳辐照和大气消光的影响，也有效地抑制了背景辐射的干扰，大大提高了测量精度。实测结果表明，火箭姿态角测量的均方根误差约为０．７°。这一方法适用于各种自旋稳定飞行器的姿态测量。     

与非合作目标编队的相对姿态控制

针对非合作目标卫星编队飞行过程中,根据任务需要受控卫星保持指目标卫星。为了跟踪目标姿态,提出了一种相对姿态控制方法。该算法只需测量目标的相对位置,通过计算得到目标姿态。然后设计了相对角速度观测器,得到相对角速度,通过跟踪控制器实现无误差姿态跟踪。完整相对姿态控制任务包括姿态机动和姿态跟踪两部分,因此设计了混合控制器实现被控星的姿态机动和对目标姿态的动态跟踪。数值仿真结果表明该方法可以实现对运动目标的无差快速跟踪。     

基于地磁场测量估计卫星姿态的UKF算法

提出了利用UKF（Unscented Kalman Filter）处理地磁场测量数据进行低轨道（LEO）卫星自主定姿的算法。通过使用估计姿态、轨道参数和国际地磁场参考（IGRF）计算得到的地磁矢量与三轴磁强计（TAM）的测量矢量之差作为更新信息，可以实现实时的姿态角和角速度估计。针对卫星稳态定姿、大角度快速机动的定姿以及姿态失控状态下的定姿等三种任务，分别用UKF和传统的EKF（Extended Kalman Filter）进行了数值仿真。仿真结果显示出本文提出的定姿算法的优越性。     

航天飞机的姿态控制系统

本文讨论小型航天飞机姿态控制系统中可以采用的一些技术的设想和各飞行段姿态控制系统的方案。系统工作的高可靠度、运载器横向弹性模态与控制系统的耦合、姿态运动之间的交连等等问题,需要妥善解决,文中提出了对策。还讨论了航天飞机飞行控制系统可以应用的飞行器主动控制技术(即CCV随控布局技术)及卸载技术,使控制系统发挥充分作用和潜力,以改善航天飞机的技术经济指标。     

航天器姿态机动的拟欧拉角反馈控制

本文采用四元数法给出了航天器姿态机动的动力学模型，通过引入一种拟欧拉角，根据最优控制理论建立了一种姿态反馈开关控制逻辑，并对闭环系统的稳定性进行了分析。仿真结果验证了所述方法的有效性。     

星载激光通信终端在轨机动对温度影响

对激光通信终端在轨瞬态温度变化开展了仿真,以期研究在轨机动的影响、热分析和热试验时机动模式的简化模拟。通过合理地分析与简化,建立终端的轨道热分析模型,准确模拟在轨机动,根据典型机动模式、外热流和涂层退化等因素设计了计算工况,得出了终端在轨运行过程中的温度场随时间和姿态变化规律。结果表明：不同机动模式下的温度变化存在差异,最大可达23.0℃,采用固定姿态或一维转动的简化热分析或热试验不能准确模拟实际飞行温度,甚至不能部分替代二维转动热分析或热试验;光学天线和反射镜的温度控制是制约终端工作的瓶颈,为终端设计合适的避光机动策略,可大幅度提高温度稳定度和均匀度。研究结果可以为光机电设备在轨机动策略的设计和改进提供参考。     

机械臂运动学建模及解算方法综述

以串联结构的机械臂为主要研究对象，首先调研了国内外机械臂正逆运动学建模及求解的主流方法，从数学工具、模型建立、求解手段等三个方面分析上述方法的基本原理，分析其优缺点。接着介绍了工程应用中解决机械臂运动学建模及求解问题所用的软件库，得到了不同软件库的精度和计算效率。最后提出了机械臂运动学建模及求解中存在的重要科学问题。通过总结上述方法，为研究人员在该领域内的理论研究及工程实现提供解决思路。     

多辐射器航天器热控流体回路布局的(火积)耗散分析

为了优化多辐射器航天器热控流体回路布局，提高流体回路的散热效率，降低流体回路温度，本文基于(火积)理论，分别对多个辐射器串联和并联的流体回路布局的散热进行了分析。结果表明，排散相同热量时，流体回路的流体与管路壁面之间的温差均匀性越好，流体回路散热过程(火积)耗散越小，系统散热过程越优。进一步，对于2个辐射器的情况，分别对辐射器设置了不同的空间辐射加热热流，对辐射器的流体回路布局方式进行了比较。结果表明，辐射器与流体回路串联时，系统散热性能要优于两者并联，系统的流体温度水平最低，结果与(火积)理论分析的预测完全一致。研究结论对多辐射器的航天器热控流体回路设计具有指导意义。     

柔性特征的太阳电池翼在轨载荷分析

建立太阳电池翼地面模态试验修正后的较为精确的动力学模型,以此作为太阳电池翼的柔性特征提出基于混合坐标法的太阳电池翼在轨载荷分析方法,计算了航天器在轨机动、舱段分离、交会对接等典型工况下太阳电池翼的载荷变化情况,分析了不同工况下载荷与太阳电池翼动力学性能的相互关系,提出太阳电池翼为应对不同飞行工况应处于何种转角状态的结构设计建议。最后依据最大载荷工况开展了相关试验验证,试验结果表明本文的研究方法有效合理,可推广应用于其它型号太阳电池翼的在轨载荷设计。     

SOI工艺抗辐照SRAM型FPGA设计与实现

为提升SRAM型FPGA电路块存储器和配置存储器抗单粒子翻转性能，本文提出一种脉冲屏蔽SRAM单元结构。该结构通过在标准的六管单元中加入延迟结构,增大单元对单粒子事件响应时间，实现对粒子入射产生的脉冲电流屏蔽作用。以64k SRAM作为验证电路进行单粒子翻转性能对比，电路的抗单粒子翻转阈值由采用标准六管单元的抗单粒子翻转阈值大于25 MeV·cm 2·mg -1 提升至大于45 MeV·cm 2·mg -1 ，加固单元面积较标准六管单元增大约21.3%。30万门级抗辐照FPGA电路通过脉冲屏蔽单元结合抗辐照SOI工艺实现，其抗辐照指标分别为：抗单粒子翻转阈值大于37.3 MeV·cm 2·mg -1 ，抗单粒子锁定阈值大于99.8 MeV·cm 2·mg -1 ，抗电离总剂量能力大于200 krad(Si)。     

翱翔系列立方星的发展和展望

针对西北工业大学“翱翔”系列立方星在低成本、短周期、快响应的立方星技术方面的突破，介绍了应用于大气层外偏振导航技术试验的世界首颗12U立方星“翱翔之星”，世界首次组网开展低热层大气参数测量的QB50计划“翱翔一号”立方星等，总结了“翱翔”系列立方星的标准化结构设计、姿态控制系统、电源系统、星载计算机、通信与测控、部署器等核心系统的发展现状，介绍了自主研制的飞轮、磁力矩器、偏振敏感器载荷。并基于在轨组装，编队飞行，一箭多星等技术对“翱翔”系列立方星的应用进行了展望，对探索柔性、高精度、长寿命的立方星将有重要的意义。     

SpaceMocap：在轨人体运动捕捉系统

SpaceMocap是一套基于多RGB-D相机的计算机视觉航天员运动捕捉系统。地面准备阶段，扫描航天员模型，并分别标定彩色相机的内参数。在轨采集阶段，3~4台相机布置在舱内角落，同步采集航天员任务视频。地面处理阶段，通过相机外参数标定和ICP方法实现点云融合，采用深度神经网络对人体关节点位置进行检测并初始化位姿参数，再用改进的ICP方法进行位姿求精，实现序列图像中关节角度跟踪。本系统搭载TG-2升空，对SZ-11航天员的任务视频进行了采集和处理，首次获取了在轨航天员的姿态(包括中性体位)、占位空间、运动参数等重要数据。结果表明，运动捕捉的模型与点云具有良好的重合度，关节点位置与关节角度具有较高的跟踪精度。SpaceMocap是我国首个在轨运动捕捉系统，它小型、轻质，具有计算机视觉特有的非接触测量、直观、高精度优势，无需在人体上粘贴任何标志，具有良好的抗遮挡能力，完全适用于微重力、狭小空间环境下的在轨应用 。     

临近空间高超声速滑翔弹双通道跟踪算法

为了提高临近空间高超声速滑翔目标的跟踪精度,提出了一种双通道并行跟踪算法。首先对比分析了目标的弹道轨迹,目标角度域参数相比位置域参数存在更显著的变化规律,为了在雷达测量直角坐标系下跟踪,采用倾角和方位角代替航迹倾角和航向角,将倾角变化率和方位角变化率描述成零均值正弦自相关随机过程,分别建立了纵向通道和横向通道的角度域模型。然后将目标轨迹分解到纵向观测平面和横向观测平面,通过量测数据预处理、双通道并行滤波、输出状态合并,实现目标的三维跟踪。最后通过仿真实验设置了算法中两个通道的机动模型的参数,分析了过程噪声对跟踪精度的影响,仿真结果表明,与现有的临近空间高超声速目标跟踪算法相比,该算法具有较高的跟踪精度。     

大气层外多拦截器协同跟踪与制导算法

针对大气层外多弹头多诱饵的进攻场景,采用多拦截器全拦截策略,提出了带故障诊断的协同跟踪算法、时间协同中制导律以及消除脱靶量的末制导律。首先,基于最小二乘算法以及误差传播理论,实现了局部信息融合以及测量方程的线性化,简化了非线性跟踪滤波算法的设计;并依托滤波算法,设计了传感器故障诊断算法,以排除其对跟踪效果的影响。然后,基于对拦截器和目标受力的合理简化,给出了相对运动解析解,设计了有限推力下的多拦截器时间协同中制导律以及末制导律,实现对多个目标的同时击毁。仿真结果显示,本文设计的协同跟踪与制导算法,可以有效估计目标的状态并排除故障传感器的干扰,实施对多个目标的时间协同拦截。     

基于定力撕裂带的绳网网型控制研究

针对柔性绳网空间碎片主动清除技术中的绳网回弹问题,提出一种基于“定力撕裂带”的网型控制方法,在绳网边线绳上加装定力撕裂带以抑制绳网的回弹运动。将绳网离散化后,建立描述绳网运动的集中质量模型,然后结合定力撕裂带的力学特性,运用虚功率原理推导了系统动力学方程。通过仿真计算,本文对比分析了加装和不加装定力撕裂带两种模式,以及不同撕裂力强度的绳网运动特性。仿真结果表明,该控制方法能够有效地提升绳网的有效工作时间和有效工作距离,可应用于未来的空间柔性捕获任务。