磁场梯度张量测量法消除卫星磁干扰

在调查了消除卫星本体对磁场探测造成磁干扰的方法基础上,采用磁场梯度张量测量法替代传统的双探头梯度测量法消除卫星磁干扰,通过仿真分析和实测验证重点考察了基于欧拉反褶积算法的构造指数、伸杆长度与背景磁场反演误差之间的关系。仿真结果表明:对于本体边长1 m总剩磁1 A·m2的卫星而言,磁场梯度张量测量法在1~2 m的较短伸杆条件下,背景磁场反演误差较大;在3 m以上的较长伸杆条件下,具有较高的背景磁场反演精度,4 m条件下反演精度约0.5 nT。在长伸杆条件下,磁场梯度张量测量法比双探头梯度测量法的背景磁场反演精度提高约3倍。      

基于变系数PID的无刷直流电动机双闭环系统

针对应用于直接驱动阀的电气双余度无刷直流力矩电动机控制系统,提出在位置环采用变系数PID(Proportion Integration Differentiation)控制算法,根据位置偏差改变调节参数,逐步加强比例和积分作用以快速消除系统稳态误差而又不引起系统抖动;为了保证系统的稳定性,对位置偏差的积分项进行了限制.实验结果表明:位置环采用该变系数PID控制算法的双闭环系统能够有效地保证系统的稳定性能和响应精度.同幅值的位置阶跃响应,位置环/电流环双闭环系统的上升时间比位置环/速度环双闭环系统的上升时间减小了32%;位置环/速度环双闭环系统具有优良的负载适应性能,鲁棒性强.     

基于矢量磁强计的磁场梯度张量仪误差校正方法

卫星在轨运行时,本体会产生一定的磁干扰,一般通过伸杆将传感器远离卫星本体安装,或者通过多个磁场传感器测量磁场梯度的方法来消除卫星本体的磁干扰.使用磁场梯度张量仪测量磁场梯度时,张量仪本身的构型会给测量带来误差.通过对5种主要的张量仪构型进行误差仿真,对比5种构型的张量测量误差,发现十字形构型张量仪的测量误差最小.除了构型带来的误差,张量仪的主要测量误差还包括组成张量仪的三轴磁强计本身的误差和非对准误差.本文使用椭球拟合算法对磁强计本身的误差进行校正,校正后磁强计测量总场的均方根误差为0.864nT.针对张量仪的非对准误差,提出了正交系间非对准误差的校正方法.仿真结果表明,校正后的非对准角度误差≤3.2×10-5 rad,能够很好地降低张量仪的非对准误差.      

航天器内部磁场环境主动补偿方法

为解决空间引力波探测任务中航天器磁场对惯性传感器干扰的问题,研究在航天器复杂磁环境下利用主动测控方式获取小尺度均匀磁场环境的方法.在惯性传感器周围进行分布式磁场探测,并采用球谐函数法或多磁偶极子法实现对惯性传感器外部磁源的估计,计算惯性传感器所处位置的空间磁场及其梯度分布.利用线圈技术,对磁场及其梯度进行线性补偿.讨论分析传感器数量以及磁源布局方式等因素对最终补偿效果的影响.仿真试验结果表明,通过这一方法可将惯性传感器所在区域的磁场及其梯度降低1～2个数量级,降低引力波航天器平台的剩磁控制压力,为引力波探测提供满足要求的磁场环境.      

地面姿态模拟光源控制系统研究

太阳敏感器和红外地球敏感器是卫星升空以后进行姿态控制的两个重要部件, 地面姿态模拟光源作为地面测试设备, 用来在地面上给这两个部件提供太阳模 拟信号和红外地球模拟信号. 本文设计了一套由4条光缝组成的模拟卫星自旋转 动的小型太阳模拟光源及针对地球同步轨道高度模拟15.6°张角的南 (北)红外两个地球模拟光源, 并为南北地球敏感器太阳保护探头提供了模拟 的太阳保护光源. 根据地面姿态模拟光源控制系统的组成和总体结构, 通 过分析计算给出各模拟光源之间严格的时序关系, 并对各模拟光源之间的时序 进行了实验测试, 结果表明模拟转速锁相误差不大于1ms, 各模拟光源时序 之间的角度误差小于0.5°.      

低轨航天器弹道系数估算及热层大气模型误差分析

利用低轨（LEO）航天器在轨期间两行轨道根数（TLEs）数据,结合经验大气密度模型NRLMSISE00,反演计算得到其在轨期间的弹道系数B’,以31年B’的平均值代替弹道系数真值,分别通过标准球形目标卫星对比以及物理参数基本相同的非球形目标卫星对比,对弹道系数真值进行了检验;利用不同外形目标卫星弹道系数在不同太阳活动周内的变化规律,结合太阳和地磁活动变化,估计经验大气密度模型的误差分布. 结果表明,利用反演弹道系数31年的平均值来代替真值,其在理论值的正常误差范围内;大气密度模型误差在210～526km高度范围内存在相同的变化趋势,且模型误差随高度增加而增大;在短周期内B’变化与太阳活动指数F_10.7存在反相关性;密度模型不能有效模拟2008年出现的大气密度异常低. 以上结果表明,经验大气密度模型结果需要修正,尤其是在太阳活动峰年和谷年,此外,磁暴期间模型误差的修正对卫星定轨和轨道预报等也具有重要意义.      

脉冲星方位误差估计的两步卡尔曼滤波算法

为了克服钟差和卫星位置误差对脉冲星方位误差估计的影响,设计了两步卡尔曼滤波（TSKF）算法。首先,介绍了脉冲星方位误差估计的传统模型,并通过分析和仿真验证了钟差、卫星位置误差以及2种误差同时存在时会使脉冲星方位误差估计结果产生较大偏差。其次,在传统的估计模型中加入了钟差和卫星位置误差,并将钟差和钟差变化率增广为新的状态量,从而推导出包含2种误差的新模型,并证明了该模型的完全可观测性;根据该模型并按照两步卡尔曼滤波原理,得到了TSKF算法的步骤。最后,通过仿真表明:在钟差和卫星位置误差同时影响下,传统脉冲星方位误差估计算法偏差较大且发散;TSKF算法则能够有效隔离2种误差的影响,使赤经和赤纬误差估计达到0.2 mas之内的精度。      

基于光电导航的伪卫星空中基站定位算法

由于具有抗干扰能力强和布置灵活机动的特点,伪卫星在增强卫星系统和独立组网为用户提供更高精度导航定位信息方面具有广阔的应用前景。伪卫星空中基站的精确定位是构建伪卫星区域定位系统的一个关键问题。为此,研究了一种基于光电导航的定位算法,综合利用光电探测成像信息和惯性导航信息,根据伪卫星空中基站的特点建立了相应的误差模型,并采用最小二乘法估计位置误差。计算机仿真结果表明所提算法简单,具有较大的实用价值。     

单星导航HEO卫星初轨确定算法

HEO(Highly Elliptical Orbit)轨道卫星利用星载GPS(Global Positioning System)进行自主定轨面临的主要难题之一就是解决在单颗导航卫星条件下的初轨确定问题.从理论上分析了利用单颗导航卫星的观测量确定HEO卫星轨道初值的所需满足的条件,指出了利用F.G级数法求解初值存在的问题,提出了一种基于轨道根数约束的迭代批处理算法,该算法无需复杂的数学运算,避免了F.G级数法用短弧资料定初轨时系数矩阵秩亏的影响.仿真结果表明,当先验轨道根数误差在允许范围内取值时,在考虑轨道射入误差的情况下,初值的位置偏差在10⁴ m量级,速度偏差在10⁰ m/s量级,能够根据单颗导航卫星的短弧观测值可靠地完成轨道初值的确定.     

基于ZnO阵列的银表面二次电子发射抑制技术

随着卫星有效载荷的射频功率越来越大,传统的微放电抑制方法已经无法满足大功率卫星有效载荷的需求。降低大功率射频部件内表面的二次电子发射系数是抑制微放电效应的重要方法之一,通过在金属银表面构造纳米量级ZnO阵列,实现了纳米尺度银陷阱结构的制备,研究了晶种制备方式、锌盐浓度对ZnO阵列生长的影响。结果表明,采用紫外照射法制备晶种获得的ZnO阵列在样片表面分布均匀,提高锌盐浓度可改善ZnO阵列的分布均匀性。分析了ZnO阵列排列密度对银膜构筑的影响,发现在低密度的ZnO阵列上更加容易镀覆金属银。因此,获得了镀银表面基于ZnO阵列的陷阱结构制备的工艺技术,实现金属银表面二次电子发射系数最大值降低36.3%。     

多视场低磁星敏感器及其在磁测卫星中的应用

下一代地磁导航等空间任务对地球磁场测量卫星提出了迫切的需求, 高精度地磁场测量卫星需要极高的姿态测量精度和空间剩磁环境, 对星敏感器提出了新的要求。针对这一需求, 研究了低剩磁高精度星敏感器的改进设计方法。采用三视场分体结构设计,提高了数据更新率,通过数据融合提高了姿态确定精度,同时对光学头部进行了精细化降剩磁设计。仿真和测试结果表明,改进的星敏感器设计方法能够实现较低的剩磁和较高的定姿精度, 满足地磁场测量卫星的应用需求, 具有较高的应用价值。     

基于双频GPS观测的简化动力学最小二乘批处理精密定轨

星载双频GPS载波相位和伪距观测量已成为低轨卫星获取精确三维位置和速度信息的主要方式. 本文以非差消电离载波相位和伪距组合作为观测量,应用简化动力学最小二乘批处理方法进行地球低轨卫星的精密定轨,并给出完整定轨流程. 采用逐段常量的经验加速度对动力学模型误差进行补偿,描述了经验加速度敏感矩阵及稀疏带状矩阵求逆的有效计算方法. 利用GRACE-A卫星GPS观测数据对定轨位置精度进行分析,结果显示,三维位置定轨精度优于5cm,经验加速度在径向、切向和法向上的补偿水平不超过40nm·s-2,大气阻力系数和辐射光压系数的估计值符合物理实际,星载接收机钟差大致呈线性并具有短周期小波动.      

伪卫星空中基站的定位算法研究

伪卫星空中基站的精确定位是构建伪卫星区域定位系统的一个关键问题。分析了伪卫星空中基站的位置误差(相当于卫星的星历误差)对系统定位精度的影响,研究了利用逆用定位原理确定伪卫星空中基站位置的算法和几何精度因子问题,并用Monte-Carlo方法对定位精度进行了仿真,结果表明这种方法是可行的,具有较大的实用价值。     

基于位置观测的北斗广播星历速度精度分析

利用广播星历计算导航卫星的速度向量是GNSS高精度实时测速的必要条件.本文分析了仅以卫星位置向量为观测量的北斗广播星历的速度计算精度.从广播星历拟合过程出发,推导了北斗18参数模型的速度向量计算公式.基于北斗13颗在轨卫星一年的实际轨道数据,分析了全年广播星历计算卫星速度向量的精度.结果表明,利用18参数模型计算的速度误差最大在10-4m·-1量级;在相同拟合时段条件下,地球静止轨道（GEO）和倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星的速度精度相当,高于中圆地球轨道（MEO）卫星.通过对位置残差序列分析,得出位置残差误差较小且变化趋势平稳是广播星历计算速度精度较高的原因.分析和计算结果验证了仅用位置观测量拟合北斗广播星历算法的有效性.      

在地磁场中测定卫星磁矩方法的研究

本文给出了在地磁场中测量卫星磁矩的环境磁场作图法。通过采用原位和斜置(或倒置)的重复测量、对测量探头和参考探头的输出作差值处理、使探头沿地磁场东西取向和试验体转置90°以保持它与探头的相对高斯态不变等方法,较好地解决了在地磁场中磁测碰到的两个主要技术难题:分离永磁矩和感磁矩,有效地抑制地磁场的噪声。并由试验表明,对于磁矩在500mA-m2以上的卫星,由该法给出的测量相对误差不大于10%。      

对失效卫星特征点的自适应位姿跟踪控制

为满足对失效卫星上某个特征点位置悬停的同时使追踪星上敏感器指向该特征点,展开了对失效卫星特征点与追踪星间相对动力学建模与控制的研究。在追踪星本体坐标系下建立了六自由度相对位姿动力学模型,并结合失效卫星上特征点的运动规律,给出追踪星的期望跟踪位置和期望跟踪姿态。考虑到追踪星质量、转动惯量、系统所受扰动力、扰动力矩及失效卫星转动惯量的不确定性,设计了复合自适应位姿跟踪控制律,并通过Lyapunov法证明了闭环系统稳定性。对输出受限情况,采取设计控制参数调节过程及输出限幅措施。在仿真条件下,系统在自适应控制律下能够以位置误差约1cm、姿态误差约0.01°完成位姿跟踪任务;增大不确定参数偏差后,位置跟踪误差增至约7cm,姿态误差增至约0.1°;对控制参数进行调节后,可在不影响跟踪精度的条件下在指定范围内限制输出幅值,将幅值限制在指定范围内,并减小控制所需冲量的9%和冲量矩的30%。     

基于星间测距的编队卫星一致性导航算法

针对多航天器编队飞行的自主导航问题,利用高精度的相对距离测量手段,结合较少的参考卫星位置信息,对未知卫星的相对和绝对位置进行估计.针对扩展卡尔曼滤波算法的局部不稳定性,采用了一种误差补偿算法,使在系统可观度较低时仍有较稳定的输出.并将编队系统视为一个无线网络,提出了一种分布式一致性卡尔曼滤波算法,该算法结合一致性理论和分布式卡尔曼滤波器,可明显提高解算精度并消除高频噪声干扰,仿真结果验证了该方法的有效性与可靠性.     

两种J_2摄动模型下卫星编队相对位置误差分析

为了研究一个轨道周期内卫星和卫星编队的运动规律,在J2摄动理论基础之上,采用摄动加速度分析方法,给出了J2瞬时摄动模型。以近地太阳同步轨道卫星和双星编队为例,与只考虑J2一阶长期项的平均摄动模型比较,仿真分析结果表明,对卫星而言,一个轨道周期内,卫星半长轴相对平均半长轴漂移达到18km,偏心率相对平均偏心率漂移达到10-3量级,轨道倾角相对平均轨道倾角漂移达到0.01°,即由于J2瞬时摄动的影响,卫星运动发生了摄动;对双星编队而言,一个轨道周期内,两星相对位置的径向误差达到5km,沿迹向误差达到19km,法向误差相对较小,在10-2量级上,相对距离的误差达到了19km,随着时间的推移,误差会越来越大。     

脉冲星方位误差估计的TSKF算法

为提高脉冲星方位误差估计对方位自行速度及卫星位置误差的鲁棒性和整体运算的高效性,设计了两级卡尔曼滤波（TSKF）算法。首先,分析了方位自行速度及卫星位置误差对方位误差估计的影响,并分别结合相关算法进行了仿真验证。然后,结合方位误差估计的CV模型和两级卡尔量滤波的相关原理,写出了TSKF算法的更新方程,并分析了实现并行计算的基本流程。仿真实验的数据显示:在方位自行速度及卫星位置误差均存在的情况下,TSKF算法的方位估计精度约为0.1 mas,方位自行速度估计精度约为1.1 mas/a;与基于CV模型的估计算法相比,TSKF算法的浮点运算仅增加了0.048%。