矢阵及其在航天器测控参数计算中的应用

本文将矢阵的概念及方法引入到航天器测控参数计算中,包括各种参数的坐标系转换计算方法、航天器姿态矩阵的计算、姿态确定方法等,使其概念更清晰,表达更明了,推导更简捷,算法更适合于数值计算。     

基于空间算子代数的航天器多体动力学递推实时仿真算法

进一步发展了空间算子代数符号体系,给出了一组坐标系无关空间矢量,张量和矢阵符号表示和相应的坐标投影规则.基于空间算子代数符号体系,推导了适用于航天器实时仿真的无根、树状拓扑、开环多体动力学递推算法,并根据投影规则给出了递推算法在惯性坐标系的投影方程.新的空间算子代数符号体系有符号定义严格,推导过程力学概念清晰,推导结果易于实时仿真程序实现的优点.推导的递推算法非常适合于正逆混合问题和变拓扑问题的求解,可以满足多体航天器动力学实时仿真的要求.     

类天宫航天器迎风面积建模及变化特性分析

针对类天宫航天器复杂结构外形迎风面积的精确计算问题,提出了一种在轨飞行期间迎风面积的计算模型。该模型考虑航天器姿态变化和帆板转动因素,在航天器本体系下建立经纬度网格,将三维的投影方向矢量转化为二维的经度、纬度;基于图形学几何投影方法,对投影经度、投影纬度、帆板转角模型参数按照一定颗粒度离线穷举,计算各种参数状态的迎风面积,离线建立航天器迎风面积模型;轨道计算过程中,根据航天器在轨飞行模式确定该时刻的姿态和帆板转动角度,通过迎风面积模型插值获得迎风面积。应用该方法计算天宫一号长期在轨飞行阶段的迎风面积,对不同时间尺度的变化规律进行了分析,验证了方法的有效性。     

大型航天器无控飞行再入时间短期预报的轨道摄动方法研究

针对寿命末期大型航天器临近再入前轨道衰降受到跨流域多尺度非平衡环境下气动力/力矩影响显著的问题,基于体坐标系下的气动力和力矩分量,建立了航天器轨道-姿态动力学摄动模型;结合航天器再入跨流域空气动力学统一计算理论与数值模拟手段,提出了大型航天器无控飞行轨道衰降过程气动特性一体化快速算法。基于地心惯性坐标系气动融合轨道动力学方程数值积分方法对航天器的轨道姿态摄动模型进行了外推计算,结合无迹卡尔曼滤波方法对外测轨道星历观测数据初值误差和模型误差进行了滤波。针对250～120 km高度范围的大型航天器短期轨道衰降变化进行仿真预测,对比了外测轨道星历数据,结果表明:本文提出的经卡尔曼滤波误差分析的轨道摄动模型方法对寿命末期大型航天器短期轨道预报具有较强的模拟能力与有效性,有助于推动近地轨道空间目标气动融合轨道数值预报领域发展。     

一种组合体航天器帆板的光照遮挡计算新方法

提出了一种新的太阳帆板遮挡计算方法,用于组合体航天器的能量平衡分析与计算。根据航天器轴线与帆板转轴垂直的几何关系,将其沿轴线离散化为若干平面的集合,将所分析的帆板离散化为点集,判断离散点沿太阳矢量逆向是否经过离散的舱体平面或其它帆板平面,以此确定遮挡关系。通过仿真计算得到不同入射太阳方向下某组合体对应的遮挡区域,结果表明,新方法适用于轴对称形状组合体航天器的帆板遮挡分析。     

基于多传感器信息融合的物体位姿检测方法

 提出了利用摄像机和超声传感器信息融合对机器人操作对象进行位姿检测的方法。该方法通过单幅图像获取目标点在图像中的理想坐标,求得投影矢量的方向,然后通过机器人末端的运动,导引超声传感器坐标原点与未移动前摄像机坐标系的原点重合,而其Z轴方向与求得的投影矢量方向相同,再由超声传感器测出投影矢量的长度,从而确定目标点在摄像机坐标系中的坐标,并可进一步转换到机器人基坐标系中。通过测量操作物体上两点的空间坐标,就能够确定物体空间姿态。该方法简单易行,计算量小,精度较高。     

空间飞行器的姿态识别

研究不变矢量在固联和轨道坐标系下的表达,得出了一个坐标系在另一个坐标系中旋转的变换矩阵。并且通过2个不变矢量在不同坐标系中的表达,识别了飞行器在空间绕质心旋转运动的3个欧拉旋转角。此方法已应用于工程实际。     

误差四元数及其在航天器姿态控制中的应用

以四元数作为定位参数对航天器进行姿态控制。首先导出了误差四元数矢量,从而解决了航天器姿态控制中最终姿态表示的非单值性问题;其次,通过一个典型例子提出了非线性三轴姿态控制方法,该方法以误差四元数作为反馈量,以控制力矩陀螺作为执行元件,利用李亚普诺夫函数对非线性系统进行控制,为大型航天器的姿态控制开辟了新的途径;最后,给出了仿真结果,从而说明了以误差四元数作为定位参数的航天器姿态控制法具有计算速度快、计算精度高等优点。     

叶轮四坐标数控加工中刀轴矢量的计算

对于任意曲面叶轮的四坐标加工，提出了一种计算刀轴矢量的方法。由于四坐标铣床自由度的限制，根据曲面上接触点的几何量计算出的刀轴矢量，不一定能在四坐标系床上实现。以四坐标铣床的主轴位置为初始刀轴矢量，以倾斜工作台的法矢量为旋转轴，形成一组刀位矢量，这些矢量组成一个锥形面；在这组矢量中，求出与由曲面几何量计算出的刀轴矢量最相近的矢量，并且使刀具处于该刀轴矢量时与叶片不发生干涉，将这个矢量作为最终的刀轴矢量。     

火箭末级的天线布局建模与优化

针对航天器绕定轴旋转飞行时天线与地面测控站的非线性通联时长问题,在航天器本体上建立基础坐标系,将天线信号辐射范围简化为一个空间锥体,通过建立天线布局姿态与航天器本体的空间相对位置关系,以及建立地面测控站与航天器本体的空间相对位置关系,映射得到了天线布局姿态与测控站的通联时长关系模型。基于该模型,利用遗传算法,以通联时长最长为目标函数,对布置3个天线的航天器进行了优化。通过(0°,0°),(20°,30°)和(-20°,-30°)3组布置角度下天线通联各测控站时长的仿真计算,验证了模型的有效性。优化求解得到的3个天线的最优布置角度为(0°,1.23°),(65.36°,178.30°)和(-65.36°,-176.04°),天线通联信号覆盖比率为83.98%。     

一种飞船用并联式太阳电池阵指向机构设计与分析

为满足太阳电池阵在飞船上大范围指向要求,实现光照效率最大化,设计了一种用于飞船等航天器的新型并联式太阳电池阵指向机构,采用规则对称的模块化设计形式,具有工作空间大、可靠性高等特点。对新型并联式太阳电池阵指向机构进行了运动学正逆解计算,运用极限边界搜索法在MATLAB中计算了工作空间,建立了基于ADAMS的虚拟样机模型,并对其逆解进行了验证,以工程可实现性为原则,得出了多个逆解的筛选原则,为控制系统的参数筛选提供了依据。通过对并联机构的冗余特性进行分析,证明了在某一驱动组件卡死时,其仍具备较大的工作空间。该并联式指向机构还可用于航天器矢量推进器、天线指向等空间领域。     

未知纬度条件下基于空间圆拟合的SINS初始对准方法

传统的捷联惯导系统(SINS)晃动基座初始对准算法,如积分双矢量方法和多矢量Wahba方法等均需要精确的纬度信息,粗对准偏航角误差较大.针对此特点,提出了一种未知纬度条件下基于空间圆拟合的SINS初始对准方法.根据重力矢量在惯性系中绕地轴旋转包含北向信息的特征,以初始时刻凝固载体坐标系作为惯性系,首先对重力矢量在凝固载体系内进行投影并滤波,对其矢量端点进行空间圆拟合,然后通过三角几何关系得到导航坐标系,从而完成对准过程.通过仿真验证,证实了该对准方法不需要已知对准点的精确位置信息,相比于积分双矢量方法与多矢量Wahba方法,偏航角对准精度分别提高了12.37'与5.10'.     

气氢液氧同轴式单喷嘴燃烧室热态流场计算

建立了欧拉－拉格朗日坐标系下液体火箭发动机内部工作过程二维轴对称两相湍流化学反应流的完全Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ模型。应用该模型对气氢液氧同轴式单喷嘴燃烧室热态流场进行了数值模拟，得到了全流场的速度矢量分布、燃气组分等值线、流场等温线、流场等压线和流场等马赫线。计算是在任意斜交曲线坐标系下进行的，采用等参数正变换（代数变换）把物理平面上不规则计算域变换成了计算平面上的矩形域，控制方程也进行了相应的变换。计算结果表明，用计算流体力学（ＣＦＤ）的方法研究和分析液体火箭发动机内部工作过程是可行的。     

迭代法坐标系在叶片检测中的应用

迭代法坐标系广泛地应用在叶片制造的各个环节中,可以识别矢量点、曲面点、高点、中点、圆柱及球等多种基准几何特征。通过数字化的量值传递方式,自动循环逼近,快速、准确地建立叶片复杂曲面坐标系,保证叶片曲面坐标系准确地传递到叶片制造过程中。     

月球及深空航天器甚长基线干涉测角精度协方差分析

基于测量基线柱坐标推导了深空航天器赤经、赤纬的信息阵和协方差矩阵,定量计算了干涉延迟测量精度、航天器赤纬及基线几何构型对月球航天器赤经赤纬测量精度的数值关系。根据计算结果,分析了三种因素对确定航天器角误差的影响。提出了基线组合赤经、赤纬精度因子的概念,重点分析了基线几何构型对确定航天器角位置的影响。在航天器视向距离无误差的条件下,推导了航天器三维定位误差与测角误差的协方差矩阵,定量计算了不同干涉延迟精度下月球航天器的三维定位误差。计算及分析结果对于我国未来月球及深空任务的测控分析支持具有重要参考价值。     

永磁同步电机有限控制集模型预测转矩控制系统研究

建立了基于定子磁链xy坐标系的永磁同步电机(PMSM)有限控制集模型预测转矩控制(FCSMPTC)系统,仿真验证了系统的有效性和可行性。针对磁链和转矩预测模型较为复杂的问题,提出了磁链和转矩的简化预测模型。理论分析、仿真和试验结果验证了FCSMPTC的简化模型与常规模型控制效果相当,可明显减小计算负担,提高系统实时性能。将电压矢量幅值和角度作为FCSMPTC的控制变量,设计了变幅值变角度的备选电压矢量集合。仿真结果表明该备选电压矢量集合可有效减小稳态转矩脉动,但动态性能不及传统备选电压矢量集合。基于不同备选电压矢量的特点,提出了根据系统状态自适应动态变化的备选电压矢量策略。仿真结果表明,该控制策略在静动态下均可取得良好的控制性能。     

基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算无控航天器轨道衰降研究

针对低地球轨道航天器服役期满离轨陨落、特别是功能失效处于无控飞行的航天器轨道衰降难以模拟的问题,在航天器轨道动力学方程直接积分计算框架中,把稀薄气体动力学与轨道动力学结合起来,发展了基于跨流域空气动力精细数值模拟驱动的低轨航天器气动特性一体化快速算法,提出了无控航天器轨道衰降失稳自旋飞行姿态等效迎角模拟法,初步建立了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分高精度计算模型。对大型航天器A受控陨落开展计算分析,验证了本文发展提出的轨道计算、气动力一体化计算方法正确性与高精度。在大型航天器B无控失稳自旋飞行轨道衰降计算分析中,得到了与外测轨道星历数据吻合一致的长弧段和短弧段预报结果,在停止外测轨道数据供给5 h内,地心惯性系位置预报偏差低于1.5 km,验证了基于等效迎角的气动融合轨道直接积分计算模型对无控航天器轨道衰降预报的合理性。     

全球定位系统及其在航天器导航中的应用

洛克威尔国际公司为国防部研制的全球定位系统(GPS)的出现将开劈导航的新纪元。GPS用户可以以前所未有的高精度连续实时地在运载器上计算状态矢量(位置、速度和时间)。GPS卓越的性能为下列航天活动带来了很大好处,即航天器导航,卫星运送,实验定位,资源测绘,载荷部署和回收,推进剂节省,数据处理和航天任务规划。本文概述了GPS系统,介绍了一些确定低轨航天器GPS导航系统设计方案的用户系统参数,较详细地讨论了在航天飞机轨道器导航方面的具体应用,包括使用GPS系统能获得的预期好处。     

微型航天器与空间非合作目标交会制导方法

星载设备能力有限的微型航天器在与空间非合作目标交会任务开始前,存放在空间轨道平台内,为了使其完成此项任务,需要设计制导方法。本文首先根据希尔（C-W）方程,设计了初制导律,然后在视线坐标系内建立了微型航天器与非合作目标间的相对运动方程,并设计了空间交会自寻的末制导律。交会任务开始时,为节省微型航天器的燃料,轨道平台根据初制导律以一定速度及释放角度释放微型航天器,微型航天器进入交会轨道,在初制导的作用下,经过若干个过渡轨道周期后接近空间非合作目标,并为末制导提供良好的交班条件,当末制导导引设备捕获并跟踪目标后可通过自寻的末制导最终完成与空间非合作目标交会任务。     

一种全天时星跟踪器相对惯导的安装阵在线快速估计方法

全天时星跟踪器与捷联惯导组成的惯性/天文组合导航系统具有精度高、自主性强等优点,在飞机、无人机、船舶等领域具有广泛的应用前景。组合导航系统长时间工作中力热变化导致安装矩阵漂移进而影响导航系统精度,全天时星跟踪器由于天空光影响视场小,一次只能观测一颗恒星,无法根据一副星图直接进行安装阵估计。提出了一种基于Levenberg-Marquart （L-M）算法的捷联惯性/天文组合导航系统安装阵在线快速高精度估计方法,利用捷联惯导姿态测量值,将不同时刻的观测星矢量转移到同一时刻同一坐标系中,构造多颗观测星的观测矢量误差与导航星矢量最小二乘目标函数,利用自适应步长的L-M算法对其进行迭代求解,实时得到系统安装矩阵的变化量。试验结果表明,使用该方法后星跟踪器在捷联惯导本体坐标系的输出恒星投影矢量精度提升了1倍以上,在线估计时间优于5 ms,满足用户实时性和高精度要求。