星载光子探测激光雷达指向调整机构的理论分析

针对星载光子探测激光雷达在小接收视场及低背景噪声的应用条件和在轨高精度收发同轴匹配的需求,文章提出利用精密光束指向调整机构,实现星载光子探测激光雷达在轨实时调整收发同轴。重点介绍了基于柔性铰链支承的二维精密光束指向调整机构及其在激光雷达上的应用情况;基于在二维精密光束指向调整机构指向镜中心建立的空间坐标系及反射定律矢量表达式,推导了二维光束指向调整机构的出射光束方向与指向镜偏转角度关系式;分析获得了出射光线扫描范围与入射角的关系及出射光线偏转角度与指向镜偏转角的关系式;揭示了在轨收发同轴调整时指向镜偏转角度的计算方法以及二维光束指向调整机构的扫描行程计算公式和扫描角度分辨率计算公式。为精密光束指向调整机构的关键部件的设计选型及误差分析提供一定的依据,对后续星载光子探测激光雷达的收发匹配设计有一定的参考意义。     

星间激光通信机光轴指向误差源分析与补偿控制

针对星间激光通信机后光路各光学元件存在的安装误差导致的光轴指向偏差，细化了激光通信机光学系统中各元件的误差矩阵，并采用矩阵光学方法提高分析精度，通过蒙特卡洛法模拟了总体误差情况，定量分析了各光学元件安装误差对光轴指向精度的影响。为了校正存在的固定安装误差，提出了基于误差校正矩阵的补偿方案。在不测量元件具体误差的情况下，通过相机处光斑质心坐标，反推入射光矢量方向，计算得到误差校正矩阵，对跟踪机构的转动角度进行补偿，显著降低了安装误差对光轴指向精度的影响，并在实机进行了粗跟踪误差校正矩阵修正安装误差的实验验证和全角度推广。结果表明，误差校正矩阵可以在难以测量后光路内部各光学元件误差的情况下，补偿系统安装误差，实现对后光路光轴指向误差的校正，大大简化了地面误差修正的流程，同时节约了在轨通信机跟踪指向运算资源，提高跟踪响应频率。     

天线伺服系统大角度调转控制策略研究

首先对天线伺服系统模型及组成结构进行简要分析,在此基础上建立基于误差-速度的状态空间数学模型。然后利用双积分型最优控制的相关结论,给出基于电流控制的最优控制律,用于天线伺服系统角度调转,并在此基础上结合位置环输出对电流的影响,实现了基于位置环输出的bang-bang控制。为避免bang-bang控制在控制末端出现角度震颤,采用bang-bang控制和PID控制相结合的双律控制策略,并给出双律切换条件的设计方法。最后在实际系统中进行测试验证,结果表明上述方案简单有效。     

星载可动天线安装误差补偿方法

为了提高天线指向精度,本文提出了一种星载可动天线的安装误差补偿方法。该方法根据卫星结构坐标系与立方镜坐标系间的关系及立方镜坐标系与天线结构坐标系间的关系,运用欧拉角坐标转移方式,得到对天线安装误差进行补偿的坐标转移矩阵。并且针对安装误差的特点,对坐标转移矩阵进行简化,只需要在轨上注3个参数即可实现对天线安装误差的补偿。仿真结果表明,在安装误差≯1°的情况下,补偿后的指向误差最大值≤0.05°;在安装误差≯0.5°的情况下,补偿后的指向误差最大值≤0.01°,补偿后的指向误差可接受。星载可动天线安装误差补偿方法可有效补偿安装误差对天线指向的影响,上注参数少易于实现。     

基于轨道动态模型的卫星天线指向功能测试方法

针对卫星天线指向算法工程实现准确度测试中存在的数据时间偏差处理问题,提出一种基于轨道动态模型的卫星天线指向功能测试方法。通过对时间偏差模型的分析,实现对由卫星发出的带有时标的指向角度遥测信息和没有时标的指向角度控制信号相对于卫星指向计算理论角度的误差测试;通过时间偏差消除算法成功将无时标数据的误差测试结果与有时标数据误差测试结果保持一致。在对同一轨道条件测试时,两类数据测试结果均在0.001°之内,可实现对卫星天线指向算法工程实现准确度的可靠测试。     

激光星间链路终端指向误差标定中的误差分离研究

针对激光星间链路终端指向误差在轨标定中航天器姿态测量误差影响标定结果的问题,本文提出了基于多链路测量的航天器姿态测量误差分离方法。该方法利用了导航星座中同一航天器同时建立多条链路的特点,获取不同方向的LCT指向误差测量数据。通过同时估计航天器姿态测量误差与LCT自身指向误差参数,实现了航天器姿态测量误差与LCT自身指向误差的分离。仿真结果表明：航天器姿态测量误差对LCT指向误差标定结果有显著影响,利用本方法进行误差分离后,LCT指向误差标定结果最大偏差由分离前的64.9 μrad下降到误差分离(6条链路)后的21.1 μrad,有效降低了航天器姿态测量误差对LCT指向误差标定结果的影响。该方法的有效性取决于链路条数和链路拓扑构型。     

卫星导航系统天线阵接收机波束指向误差分析

研究表明：卫星导航系统阵元几何位置误差是影响波束指向误差的主要因素,而卫星和接收机位置误差则影响甚微,其中千米级的卫星位置误差以及接收机位置误差导致的波束指向误差不超过0.1°,而毫米级的阵元几何位置随机误差可导致典型7阵元天线阵波束指向误差达到几度。该研究成果可为卫星导航系统天线阵接收机的设计提供依据。     

挠性航天器高精度智能控制方案研究

从工程角度出发，研究了智能控制方案，旨在提高挠性航天器的姿态指向精度和稳定度。针对挠性模态不可测的特点，文中采用了输出反馈变结构控制来抑制挠性附件的振动，并用神经网络自适应控制来补偿系统的不确定性因素。智能控制的引入使得控制器具有很强的自学习和自适应能力，可降低不确定性因素对系统产生的影响，减小系统的稳态误差，从而达到高精度控制的目的。仿真结果证明了该方法的有效性。     

船摇速度补偿算法在两轴天线伺服系统中的应用研究

在海洋环境下进行遥测任务时,船摇对天线的指向精度及跟踪精度影响很大。针对方位俯仰型两轴天线伺服系统,通过在伺服环路中引入船摇速度补偿,降低船摇对伺服系统控制精度的影响。首先对速度补偿算法进行简要的理论分析,明确其抗船摇扰动的机理。然后对惯导采集的船摇速度进行坐标变换,把三轴的船摇速度信息变换到天线方位俯仰轴上,进而得出船摇在天线方位俯仰轴上的速度扰动量。最后设计了两组试验,对速度补偿算法的正确性及其抗船摇的效果进行验证。结果表明,在天线伺服系统中添加速度补偿后,天线的指向精度明显提高,方案简单有效。     

用户星姿态对中继终端天线跟踪的影响

用户星姿态对中继终端天线跟踪的影响主要在两个方面：姿态角误差对指向误差的影响和姿态角、姿态角速度对指向角速度的影响。文章首先引入了欧拉轴／角的姿态表示方法，然后根据欧拉轴与指向向量间的位置关系求得了姿态角误差所引起的天线理论最大指向误差，在此基础上，不考虑最大值取值条件的情况下，进一步求得姿态角速度所引起的天线理论最大指向角速度；接着，以常用中继终端天线的安装位置为例，求出了天线指向角速度与用户星姿态角、姿态角速度的数学表达式，这样便于分析各种情况下用户星姿态对天线指向角速度的影响；最后，借助于STK仿真软件进行了仿真验证，[JP2]仿真结果验证了上述结论的正确性。结论表明：天线理论最大指向误差除了与姿态角误差有关外，还受滚动姿态角的影响；天线指向角速度同时由姿态角、姿态角速度和天线指向角度确定。[JP]     

交会对接仿真实验方案的研究

提出一种地面交会对接仿真实验方案。其中，由ＣＣＤ相机、三轴位置及三轴姿态转台系统模拟追踪器；由三轴转台及五点光源系统模拟目标器。通过ＣＣＤ相机获取目标五点光源的视频信息，并由视频处理机和计算机进行快速处理。追踪能快速算出目标器的位置和姿态，然后通过伺服系统和执行机构准确跟踪目标。建立了交会对接过程的数学模型，通过仿真验证了模型的有效性。     

自由转子陀螺仪的伺服测试技术研究

自由转子陀螺仪是目前精度最高的一种陀螺仪,没有精密的力矩器,因此,只能采用双轴伺服法来辨识其漂移误差模型。介绍了双轴伺服测试法的基本原理,给出了双轴伺服转台的运动轨迹及重力矢量的变化规律。根据转台的运动特性,建立了自由转子陀螺仪的漂移误差模型,导出双轴伺服转台转角数据估计漂移误差模型系数的算法。从测试结果可以看出自由转子陀螺仪的长时间精度高,表明采用伺服测试法能够获得极高的测试精度,伺服转台可以作为测试自由转子陀螺仪精度的装置。     

运载火箭摇摆发动机与全箭动力学特性耦合关系研究

针对运载火箭“摆动发动机-伺服回路”负载频率低,可能影响全箭弹性模态稳定性的问题,首先建立了包含“发动机-伺服回路”动力学模型的全箭动力学模型,分析了“发动机－伺服回路”负载频率对伺服机构传递函数和控制系统开环传递函数特性的影响,指出了“发动机－伺服回路”负载频率与箭体弹性模态之间的动力学耦合关系,给出了保证弹性模态稳定的谐振频率判据,最后计算了保证全箭弹性模态稳定的负载频率边界值,并通过仿真算例验证了结果的正确性。研究结果表明,“发动机－伺服回路”局部的负载频率通过惯性负载力矩作用与全箭弹性模态形成耦合,当负载频率位于上、下边界值范围之内时就会导致某些弹性模态不稳定,因此在实际工程中应对负载频率进行限制,以保证运载火箭的飞行安全。
     

空间绳系机器人超近距视觉伺服控制方法

针对空间绳系机器人超近距视觉伺服中相对位姿无法测量的问题,在建立机器人视觉系统非线性量测模型的基础上,提出一种基于直线跟踪的混合视觉伺服控制方法,利用帆板支架边缘线图像特征跟踪相对位姿,利用基座具有较大误差的量测信息保证控制系统的稳定性。仿真试验结果表明：在仅能获得帆板支架边缘线图像信息的情况下,设计的超近距逼近控制方法能够保证空间绳系机器人稳定到达目标卫星的帆板支架处,并满足捕获条件。     

基于单脉冲跟踪体制的V频段宽带角跟踪 接收机设计与验证

随着高通量通信卫星系统对星间数据传输速率需求的不断提高,星间链路的工作频段将由Ka频段逐渐向频率资源更加丰富的毫米波频段发展。为了满足星间链路对毫米波频段自动角跟踪系统的发展应用需求,给出了一种基于单通道单脉冲角跟踪技术的V频段宽带角跟踪接收机的设计方案。采用LTCC和MCM技术实现了V频段接收组件的集成一体化设计;采用基于IQ正交混频的跟踪调制器结合数字相位补偿的单通道单脉冲角误差信号处理技术完成了宽带输入信号的角误差信号解调。在产品研制基础上,搭建了V频段角跟踪接收机测试系统,测试结果表明该V频段宽带角跟踪接收机可以完成对-95dBm~-55dBm输入信号电平范围内多种宽带数据传输信号的角误差信号解调,角误差信号抖动优于±250mV;表征输入信号电平强弱的AGC遥测电压随输入信号电平的增大而单调递增,各项指标满足V频段星间链路建链需求,为我国后续将要发展的毫米波星间链路系统奠定了扎实的技术基础。     

考虑伺服回路动态的飞行器攻角鲁棒控制技术

为增强飞行器姿控回路与伺服回路的协调匹配性,提升整个姿态控制系统的综合性能,在考虑飞行器伺服回路动态特性的基础上研究其姿态控制方法。以俯仰通道为例,基于多鲁棒面控制和动态面控制理论,提出一种考虑伺服回路动态特性的攻角鲁棒控制方法,有效解决了回路之间的协调控制问题。计算机仿真结果表明:相比于未考虑伺服回路动态特性的攻角控制方案,该控制方案的攻角跟踪效果更好,飞行器姿控外回路和伺服内回路协调匹配性得到提升,且该方案确保了攻角控制系统具备更优越的综合性能指标。研究成果可重点应用于具有高动态和轻质化需求的飞行器姿态控制领域。     

一类非线性控制器nPI及其在扫描镜精密伺服系统中的应用

本文给出一种非线性控制器，并将它应用于扫描镜精密伺服系统的校正。理论分析和应用结果表明，它能显著改善控制系统的静态和动态性能。     

影响天线高仰角跟踪性能的因素分析

雷达或遥测系统大多采用方位－俯仰型天线座，这样方位支路跟踪时，原理上需要引入正割补偿，且补偿系数随着俯仰角的提高而增大。引入正割补偿后将对天线高仰角时的跟踪性能产生影响。迄今为止的有关著作只对其中部分因素进行了论述。本文对这些因素进行了全面分析，并以实际目标飞行数据说明，在不同条件下，主要影响因素也会不同。     

面向大型承载结构强度性能的试验系统高精度装配调控方法

以直径0.6 m开口筒壳为例,分析了装配误差对仿真结果产生的影响,表明高精度量化试验系统装配方法研究的必要性。传统装配方法采用直尺等机械工具开展试验系统装配,导致实际装配误差较大且难以精准定量。因此提出一种试验系统装配误差精准测量与调控方法,该方法通过测量标识点获取装配件实际位置,并计算实际与理论位置的装配误差,结合机械推动以及位移测量等设备实现位置精确调控。为验证方法的可行性与精度,基于自研的强度试验高精度装配软件,分别开展了直径0.6 m和1.6 m圆柱筒壳装配调控试验。相比传统方法,最大位移误差从15.00 mm降至0.75 mm,最大角度误差从0.93°降至0.04°,数值分析承载力误差从1.67%降到了0.04%,降低了装配误差对承载力的影响,提高了试验系统装配精度。     

模糊控制在光电跟瞄平台稳定控制中的应用

机载光电跟瞄系统是一个复杂的角位置随动系统,其精确模型不易建立。利用模糊控制不要求精确模型的特点,以跟瞄平台俯仰回路的稳定控制为例,设计了基本模糊控制器和自组织模糊控制器。仿真研究表明,在模型参数摄动又有多种干扰作用时,两种控制器都能进行有效地控制,特别是自组织模糊控制的稳态误差更小,计算速度更快。