ATS-6 Interferometer

The Applications Technology Satellite-6 (ATS-6) RF interferometer is utilized primarily as a precision 3-axis attitude sensor having an unambiguous field of view of 350°. This function requires two separated ground transmitters, each using one of the two available frequency channels or sharing a single channel by time multiplexing. For 3-axis control, one uplink transmitter can provide 2-axis attitude (pitch and roll) with other sensors (e.g., a Polaris tracker) providing yaw attitude. By utilizing two uplink transmitters and the Earth sensor or three time multiplexed uplink transmitters, the interferometer can also provide measurements of ATS-6 spacecraft orbit position. Uplink frequencies are 6.150 and 6.155 GHz. The receiving antennas are spaced at 19.95 wavelengths (?) for the vernier baseline and 1.66 ? for the coarse baseline. Spacecraft system weight is 8.39 kg (18.5 lb) and power requirement is 15.5 W. Flight evaluation results are given for the interferometer including R F link budgets, modulation of uplink carrier, signal-to-noise ratio, and dropout behavior. A hardware calibration model is described, containing major biases in the phase measurements. Techniques for flight calibration as both an attitude and spacecraft position sensor are outlined . Flight testing has shown that on-line calibration of receiver/converter biases must be performed on a short term routine basis. Interferometer resolution was found to be 0.00140 space angle with negligible noise (jitter) at transmitted power levels above 72 dBW. As an attitude sensor, the interferometer has demonstrated the ability to provide stabilization to better than 0.     

基于曲面主方向的正交系的非完整基理论及其在流体力学中的相关应用

本文将微分几何中光滑曲面上局部存在的基于主方向的正交系联系于张量分析中的非完整基理论,以此为曲面与其邻域上的张量场场论提供了一种新方法,称为基于曲面主方向的正交系的非完整基理论。这种场论方法,基于基面的沿主方向的参数坐标,然后沿基面的法方向进行空间延拓,以此获得基面邻域内的完整的正交系。对此引入非完整基理论,可得所有的非零Christoffel符号直接对应为基面或者当地曲面的主曲率或者测地曲率,因而张量场的各种微分算子相对于曲面的主方向与法方向展开,所得分量表达式仅含物理量与曲面曲率。由此不仅可以清晰地展现曲面几何特征与物理量/物理过程之间的关系,而且所获得的分量表达式形式上最为简单。另一方面,经典的诸如柱坐标系、球坐标系等正交系也隶属基于曲面主方向的正交系,从而本文方法可以统一相关正交系下的张量场场论。作为应用,本文推导了可变形曲面上涡量、涡量法向梯度与变形率张量的表达式,曲面上流体边界层方程的分量方程,曲面介质相关守恒律方程等。     

小卫星/小运载可重构多核计算机设计

通过共用小卫星与小运载的电子系统,能够降低卫星发射成本、实现卫星与运载的快速集成及测试、减少卫星的发射与入轨时间,从而达到快速响应自然灾害等突发事件的目的。传统航天器电子系统难以兼顾运载段任务的高实时性和在轨段任务的高可靠性要求,因此本文将多核处理器技术、可重构技术和航天器电子系统设计相结合,提出了基于可重构技术的小卫星/小运载多核计算机设计方案。该设计方案分为运载和在轨两种工作模式,通过现场可编程门阵列(FPGA)的快速重构来实现计算机两种工作模式的快速切换。其中运载模式将FPGA配置成并行构架的三核处理器,通过3个处理器并行计算来提升计算机的处理能力;在轨模式将FPGA配置成冗余构架的三核处理器,通过3个处理器互为冗余备份来提升计算机的长期可靠性。经过基于Markov过程理论的系统可靠性分析,表明系统在轨段的长期可靠性得到显著提升。同时经过地面半物理仿真系统仿真测试,运载段的控制周期可以达到10ms,满足运载段任务的实时性要求。     

Microwave Azimuth Measuring System

A breadboard microwave pointing device (ElectroTransit) has been designed, fabricated, and tested. The device and accompanying RF sources comprise a portable, battery-operated, azimuth angle measuring system with application in surveying, mapping, and geodesy, and for conducting basic research in tropospheric propagation and turbulence studies. The angle measuring sensor combines a Ka-band interferometer with an optical theodolite to provide two modes of pointing. Azimuth angle can be read directly to 0.1 arc-second. Preliminary tests on the interferometer show a pointing repeatability on the order of two arc-seconds, three sigma, when tropospheric turbulence is minimum and a mean absolute error of less than 10 arc-seconds, three sigma, compared with first-order optical standards. This paper describes the design, fabrication, and testing of this extremely precise instrumentation.     

三轴稳定卫星的星敏感器对地定姿精度分析

给出利用星敏感器进行惯性姿态和对地姿态确定的流程,重点分析了惯性姿态向对地姿态转换过程中的误差传播关系,给出了相应的误差传播矩阵和误差传播影响因子。仿真表明,由于坐标转换时引入轨道参数误差,误差传播影响因子一般在1~2之间,因而使得对地定姿精度较惯性定姿精度稍低。     

基于Lagrange方法的单旋翼飞行器动力学建模

为了进行微小型单旋翼飞行器的动力学建模,通过建立多个坐标系来反映各部分间的相对运动.首先,利用坐标变换得到位置、速度及加速度等向量,并代入拉格朗日方程得到运动学模型;然后,对模型进行数值求解,得到飞行器的姿态响应.仿真结果表明,飞行器定点盘旋时合外力为零,能量保持不变;爬升或前飞时有非保守力做正功,能量增大.     

谱估计测向的MUSIC算法研究

由天线阵对被测信号的响应矩阵的特征值,可得到对应于信号和噪声的特征向量,以此扩展成信号子空间和噪声子空间。利用信号子空间与噪声子空间的正交关系,即可求得信号方位角的估计值。这种空间谱估计测向的MUSIC算法,用于圆形天线阵对非相干信号进行测向,可以克服一般干涉仪测向体制中测向模糊和测向盲区的问题。     

仅用相位差变化率的机载单站无源定位方法及其误差分析

针对以往单站无源定位系统中长短基线干涉仪系统复杂、角度测量易受干涉仪通道幅度/相位不一致的影响等问题,提出了一种仅仅利用长基线干涉仪(LBI)的相位差变化率实现单站无源定位的新方法,并对该定位方法误差的克拉美-罗下限(CRLB)进行了推导和分析,计算并分析了不同的干涉仪基线安装方向、不同的观测器运动方式下的定位误差几何分布(GDOP)。结果表明,仅用相位差变化率定位时,为了达到侧翼最好精度,干涉仪最好平行机身安装;为了达到侧前方较好精度,干涉仪需垂直安装;观测器的运动姿态最好发生某种机动变化。     

地面和机载Ku波段定向天线的标定方法

提出了一种以地球同步轨道卫星作为参考物、利用GPS位置对Ku波段地面及机载定向天线进行快速标定的方法;研究了将地心大地坐标变换到地心空间直角坐标参数和将地心空间直角坐标变换到站心极坐标的计算方法;给出了定向天线的标定实施步骤。测试结果表明,地面定向天线标定角度误差可达0.1°,机载定向天线标定角度误差可达1°,该标定精度可以满足大部分应用需求。     

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。     

有限差分法的坐标变换诱导误差

有限差分法应用于具有复杂外形的网格时需要进行坐标变换,在此过程中经常会引入坐标变换诱导误差。在柱坐标系下使用均匀网格进行均匀流场计算,计算结果表明,即使物理坐标对计算坐标的变换函数连续可导、计算过程中坐标变换系数直接采用准确的解析式、网格完全正交并且充分光滑,也无法避免坐标变换诱导误差。理论分析表明,产生坐标变换诱导误差的机理是笛卡尔坐标系下的守恒型欧拉方程变换至贴体坐标系下后增加了源项。针对该问题,目前国内外学者通常采用几何守恒律,构建与差分格式相匹配的坐标变换系数计算方法来消除源项。本文介绍了从包含源项的离散等价方程基础上直接进行离散的新算法,在此基础上针对非等距网格条件下MUSCL类格式重构过程进行误差分析,理论推导表明重构中需要考虑非等距插值公式的影响系数,将变量转换至计算空间内进行MUSCL重构才能保证该过程具有均匀网格下的插值精度。通过理论分析及数值实验证明新算法对于均匀流场完全不会引入坐标变换误差。     

GPS 双基线载体姿态测量研究

研究了采用双基线方案测量载体的姿态,利用GPS双差相位测量基线矢量,双差伪距观测值辅助解相位整周模糊,双频时引入空间变换缩小置信空间搜索次数,通过实例分析得出了正确解算相位模糊与观测次数、伪距测量精度的关系,并利用误差传播定律对姿态测量精度进行分析,结合卫星星历数据计算表明,在卫星运行周期内航向角和俯仰角平均测量精度在一定条件下优于2mrad.     

机载雷达的空中定位研究

雷达告警器通过接收威胁源的雷达信号,经计算机处理、分析其信号特征,进而判别其类型、方位等信息,实时为空勤人员提供视、听觉告警信号,因而成为现代战机必备的电子对抗设备。以往相关文献中仅讨论了地面雷达对地面目标的定位问题,本文就机载全向雷达告警器的双机空中定位问题,经过严密的数学推导,利用方向余弦给出了威胁源的空间坐标计算公式,该公式简洁明了,程序运行时间短,为对威胁源进行实时监测提供了理论保障,同时本文对定位误码率差从两个角度做了理论分析,并相应给出了误差区和最大误差限。     

OTHR multipath tracking with uncertain coordinate registration

Multipath probabilistic data association (MPDA) exploits discrete multipath propagation to improve tracking performance for systems such as over-the-horizon radar (OTHR). The original formulation assumed a known ionospheric environment for mapping radar measurements to ground coordinates. We consider an extension of the technique that allows for ionospheric uncertainties affecting the transformation between slant and ground coordinates in addition to the usual sensor noise. A new technique, MPDA for uncertain coordinate registration (MPCR), is described and tested on simulated and real OTHR data. The study assumes a two-layer spherical mirror ionosphere with random fluctuations of the ionospheric heights around known mean values. An extensive Monte Carlo analysis of track errors and track loss is carried out for MPCR under two scenarios and the results are compared with a baseline probabilistic data association (PDA) approach and with MPDA. The results indicate the high reliability of the MPCR approach.     

干涉仪测量数据联合定位的方法

提出了干涉仪测量系统的六通道测量数据联合定位的处理思想，并提供了具体的计算处理方法。该新方法是将测速数据与定位数据联合确定运载火箭的位置坐标，进而可计算其速度、加速度等其它弹道参数，这无疑会提高测量数据的利用率和改进弹道计算结果的精度。     

Electric space propulsion systems

Active development of electric thrustors began 10 years ago. Today, several kinds of thrustors have achieved efficiencies above 90 % and lifetimes of several thousand hours. The following article derives the basic theory of electric thrust production at constant exhaust velocity, and at variable exhaust velocity programmed for optimum vehicle performance. Electrothermal or arcjet; electrostatic or ion; and electrodynamic or plasma thrustors are described. At the present time, ion thrustors of the electron bombardment and of the surface ionization types are the most promising systems. Electric power in space may be generated by solar cells or nuclear-electric generators. It is expected that the incore thermionic converter will eventually be the preferred system. A variety of missions with electric propulsion systems appear feasible and highly desirable, among them orbital station keeping, attitude control, planetary probes, solar and out-of-the-ecliptic probes, deep-space probes, and manned Mars and Venus exploration. For each mission, a careful systems-design study must be made, which will provide the optimum selection of thrustor type, thrust level, exhaust velocity, thrust program, power source, trajectory, and flight plan.     

临近空间高超声速飞行器天文导航系统综述

临近空间是航天与航空业务领域的结合部，具有重要的战略价值。高超声速飞行器是临近空间力量部署的重要载体，已逐渐进入应用部署阶段。临近空间高超声速飞行器的飞行环境和任务条件对导航系统提出了新的更高要求。在总结临近空间高超声速飞行器的导航技术研究进展的基础上，对天文导航技术的应用环境和条件进行了系统的分析和探讨，提出了5个重点研究方向，包括：星图采集效能、光学误差模型、视场观测机理、姿态更新速率、小型化模块化工程化等。研究结果可为临近空间高超声速飞行器天文导航系统的设计提供参考。     

大气层外拦截器单轴定向姿态控制律

针对单轴定向大气层外拦截器设计了一种姿态控制律。拦截器简化为轴对称刚体,利用安装在弹体尾部的“＋”形组合六喷嘴发动机提供控制力矩。由于姿控系统难以同时进行偏航和滚动控制,根据拦截器单轴定向体坐标系不唯一的特点,通过合理选择目标坐标系实现了偏航和滚动通道的分时控制。设计了姿控发动机开关控制律．分析了系统在控制律作用下的稳定性并进行了仿真验证。     

快速定位定向系统设计及车载实验研究

定位定向系统是能为载体提供精确地理位置坐标、指北方向和姿态角的导航系统,通常用于舰船、飞机、车辆等功能平台,为平台上的设备提供准确的位置和姿态参考信息.本文针对车载平台机动性高的特点,设计能够实现运动中对准的快速定位定向系统,开展捷联惯导数字递推算法、航位推算、多源信息组合导航、动基座对准算法、系统免标定、误差补偿等算法和技术研究.最后,开展静态对准、静态导航和动态车载实验研究.实验结果表明,动态对准时间小于5min,对准姿态精度小于1mil,方位保持精度小于1mil/2h,横滚角、俯仰角保持精度小于0.5mil/2h,里程计/惯导组合水平定位精度小于0.15％D,卫星/惯导组合水平定位精度小于10m.     

Navigation by Back Triangulation

The development of electronic surveillance systems that can accurately measure the direction of arrival of signals from ground radar stations has opened the possibility of using statistical techniques to determine navigation information for the measuring vehicle. The method of combining "bearing" observations from several radar sites for navigational purposes, referred to as "back triangulation", will be discussed and demonstrated by simulation.