一种实现光学隐身的卫星构型设计

目前对地球同步轨道(GEO)空间目标的探测和识别,主要依赖光学监视系统接收其反射的太阳光线.鉴于可见光反射原理,和空间目标可见光反射特性计算模型,提出光学隐身卫星设计策略,分别对卫星平台构型、太阳能帆板、半球形遮光罩进行设计,对整星外形进行仿真分析,最后提出分布式卫星的构想.结果表明,该卫星构型光学横截面积峰值达到0.082 m~2,该构型设计具有较高的隐蔽性,不易被光学监视系统探测识别.     

基于STK的空间目标可见光散射特性建模与仿真

为给天基光学观测系统的设计和性能研究提供数据支持, 建立了基于STK的天基 探测空间目标等效星等计算模型. 选用双向反射分布函数(BRDF)五参量计算模 型, 分析了空间目标面元的可见光散射特性; 根据目标几何结构尺寸和物性参 量等建立目标几何模型, 对该模型进行面元划分, 推导了空间目标在天基观测 系统入瞳处的等效星等计算公式; 结合卫星工具包(STK)提供的太阳、目标卫 星、观测卫星三者的关系数据, 建立了基于STK的易于求解的目标星等计算模 型, 对此模型进行实例仿真和分析, 并与漫反射计算模型进行比较. 结果表 明BRDF模型得到的辐照度曲线比漫反射模型更曲折且存在峰值现象, 更符合 目标表面材料的实际特性, 此外, 与STK的结合运用, 使其可更加方便快捷地获得目 标最佳观测时段及相应的等效星等.      

空间目标在天基光学探测中的特性分析与仿真

分析了空间目标的分布及几何特性,研究了空间目标光学特性与天基探测系统、太阳以及目标自身参数的关系,提出了空间目标光学特性仿真的思路,建立的天基空间目标光学特性分析系统可以计算并绘制相对距离、太阳相位角及目标星等变化曲线.由于很难获取准确的空间目标实际光度数据,文中提出了对仿真结果的验证方法.通过对仿真结果的分析,得出了天基空间目标光学探测的特点,为天基光学探测和识别的研究提供了参考.      

星载GNSS海洋反射信号建模与仿真

星载GNSS反射信号建模与仿真对GNSS反射信号正逆问题的研究及接收机算法和性能的评估非常重要。从几何、信号和信息的角度建立了星载GNSS反射信号分层建模方法。详细论述了星载GNSS反射信号的双基几何关系,建立了海风、涌浪和降雨驱动的线性组合海浪谱,并基于此计算了GNSS反射信号双基散射系数,基于各散射单元独立散射的假设推导了反射信号模型,通过仿真产生了星载GNSS反射信号及时延-多普勒相关功率,并与UK TDS-1卫星实测相关功率进行了对比分析。结果显示,通过先产生反射信号后处理得到的相关功率和直接端对端产生的相关功率与UK TDS-1卫星实测的相关功率的余弦相似度分别为0.97和0.94,所提架构和方法可正确对星载GNSS反射信号进行建模和仿真。同时,通过所建平台分析了涌浪和降雨形成的海浪谱对星载GNSS反射信号的影响。结果发现,涌浪主要影响低风速探测而对高风速无影响,降雨对星载GNSS反射信号无明显影响。      

低轨卫星的北斗反射信号海洋覆盖分析

北斗系统作为我国自行研制的导航系统，具有独特的混合星座特性，其反射事件在海洋上的空间分布和覆盖性能的研究成果较少。针对上述问题，模拟了北斗三号（Beidou System 3，BDS3）以及全球定位系统（Global Positioning System，GPS）空间星座，模拟不同性能参数的低轨接收卫星，在此仿真系统的基础上，计算反射事件在各仿真场景下的海洋覆盖率以及同时发生反射事件的卫星数量。结果表明：BDS3与GPS相比具有更大的反射事件海洋覆盖率，覆盖性能更优；仿真周期7天与1天相比,前者卫星产生的反射事件海洋覆盖率约为后者5倍；低轨道卫星（Low Earth Orbit,LEO）轨道高度越高，天线波束角度越大，反射事件海洋覆盖率越大；3颗LEO卫星下同时发生反射事件卫星数的平均值约为单颗LEO卫星的3倍。可通过设计多星组网来提高反射事件海洋覆盖率。研究结果对星载反射技术海洋遥感应用方面有一定的参考价值。     

材料粗糙度变化对卫星光谱红化效应的影响

在轨人造目标的地基观测光谱存在红化效应,影响对目标反射光谱的理解应用.目标在进入空间环境后外露材料表面粗糙度发生变化.本文结合材料的光谱散射特性、卫星轨道和观测条件,仿真分析了卫星表面材料粗糙度变化对红化效应的影响.基于文献中实验数据,设计不同粗糙度的卫星表面材料样本,模拟空间环境中材料表面粗糙度的变化.利用双向反射分布函数,建立不同粗糙度材料样本的光谱散射模型.理论模拟结果表明,材料表面粗糙度的变化会影响其光谱散射特性,散射光谱形态和散射分布取决于粗糙度及入射-反射几何关系.引入网格剖分和可见面片,利用材料双向反射分布函数,仿真计算卫星表面材料在不同粗糙度状态下,整个卫星在可见光波段的反射光谱信号.仿真结果表明,随着卫星表面材料粗糙度的增加,其反射光谱在600nm之后随波长增加而呈现上升趋势,这表明空间环境中外露材料表面粗糙度变化是卫星产生红化效应的原因之一.      

涌浪及降雨影响下的GNSS海面反射信号建模

全球导航卫星系统（GNSS）海面反射信号的模拟仿真采用的海浪谱多为风驱模型,而忽略了真实复杂环境中涌浪、降雨的影响。为此,提出了一种涌浪、降雨影响下的GNSS海面反射信号模型。首先,对Elfouhaily海浪谱、涌浪谱、降雨谱分别进行仿真,从海浪谱的角度分析涌浪、降雨对GNSS反射信号的影响。然后,设计了引入涌浪、降雨影响因子后的GNSS反射信号建模的方法,并建立噪声模型。最后,对星载场景下仿真得到的二维时延-多普勒相关功率分布图像（DDM）、时延相关功率波形（DW）进行分析,并与英国技术演示卫星（UK TDS-1）实测数据的处理结果进行了对比验证。结果表明:涌浪主要形成对GNSS反射信号影响较大的大尺度粗糙海面,而降雨对GNSS反射信号影响较小;仿真的DDM与实测数据结果的波形有很好的一致性,DW对比的相关系数达到0.92,优于未修正模型的对比结果,模拟的反射信号更为真实,证明了提出的GNSS反射信号建模方法的可行性、有效性。对真实复杂环境下的GNSS反射信号建模及GNSS反射信号星载探测应用研究具有一定的参考意义和实用价值。      

大型星载Ku波段波导缝隙阵列天线 ——宽频带设计及热变形分析

高度计波导缝隙阵列天线是高增益、低副瓣天线子系统, 其宽频带、窄波 束等特点对天线设计将提出较高要求. 天线阵面较大, 在空间环境冷热交替 的作用下会发生形变, 因此, 有必要研究形变对天线电性能的影响. 本文采 用天线阵分区馈电、波导中心馈电以及加载元件等技术, 解决了天线宽频带 设计问题, 并针对热变形问题, 提出一种分析天线热变形对其电性能影响的 新方法. 现已加工出8×10阵列天线实验件, 实测结果表明, 1.3以下 驻波带宽为340MHz, E面副瓣电平为-25.9dB, H面副瓣电平 为-27.2dB, 满足实际要求, 验证了设计方法的有效性.      

反馈磁场均匀性对磁通门磁强计的影响分析

针对磁通门传感器的特点, 研究了反馈线圈对磁通门传感器探测数据的影响, 并对比了几种典型结构的传感器. 磁通门传感器要求激励线圈工作在均匀磁场环境下, 非均匀场会引入误差信号. 根据磁通门原理进行了理论推导, 非均匀性会导致反馈原理工作的磁通门传感器线性系数发生变化. 针对应用于空间磁场探测的几种磁通门传感器常见结构, 即分立结构型、亥姆霍兹型和紧凑球面型等, 分析了传感器内部磁场的均匀性及对磁场探测的影响. 经仿真计算分析发现, 紧凑球型传感器的内部均匀性和稳定性优于分立结构传感器, 更有利于空间磁场探测.      

星载大型平板缝隙天线结构设计及热变形分析

以空间应用需求日益广泛的大型平板缝隙天线为研究对象, 介绍了其结构组成. 为减小天线热变形, 对天线外侧4个安装角的连接方式做了改进设计, 并在极高温和极低温两种工况下进行热变形分析, 得到改进前后两个方案的变形结果. 在极高温工况下, 天线阵面Y向热变形均方根值从改进前的0.52 mm减小到0.3 mm; 在极低温工况下, 天线阵面热变形均方根值从改进前的0.35 mm减小到0.1 mm. 结果表明改进后的方案满足设计要求, 从而确保了天线在轨电性能的指标.      

考虑在轨热效应的网状天线索网优化设计

网状天线服役于高低温、强辐射的复杂太空环境,其热变形是影响天线在轨性能的重要因素。目前的设计方法均为常温下的索段预应力配置,难以计及服役环境对天线在轨性能的影响。通过在索网模型中引入温度载荷,建立了以常温下索段参数为变量,以服役环境下的索网形面精度和张力分布为目标及约束条件的索网优化模型,从而在设计之初充分考虑服役热环境下的天线性能,改善天线在轨精度和张力分布。分析了天线运行轨道热环境,计算了天线在不同轨道位置的温度场;基于非线性有限元理论,建立了网状天线热结构模型,形成了考虑温度效应的索网找形及优化设计方法;开展了面向天线服役性能的索网优化设计。优化结果表明,该方法有效提高了天线在轨运行时的性能,可为考虑服役环境的网状天线优化设计提供方法和思路。     

形面精度可调节的单层索网空间抛物面天线

大口径高形面精度的空间可展开天线是未来航天器天线的重要发展方向之一。提出了一种新型形面可调节的单层索网空间可展开天线。通过对单层索网进行静力平衡分析,给出了单层索网天线的内力计算方法,并基于能量法,建立了单层索网天线的形状预测理论模型,实现了单层索网天线的三步法找形方法。基于理论分析结果,建立了50m口径的单层索网天线的有限元模型,通过有限元模型对建立的单层索网理论设计分析方法进行了验证,并验证了单层索网天线的形面精度及在轨调整的可行性。理论分析和有限元分析结果表明,单层索网天线拓扑构型简单,可通过改变天线中心轴的长度,实现天线形面的在轨调节。在100℃的均匀温差下,通过在轨形面调节,50m口径单层索网天线的形面误差可降低至5mm以下。     

基于RVE模型的空间天线结构热稳定性优化设计与热变形分析

空间环境温度变化会使空间天线支撑结构产生热变形,影响其使用性能,因此进行天线热稳定性设计及热变形分析具有重要的意义.基于代表性体积单元(Representative Volume Element,RVE)方法对空间天线结构进行热稳定性设计与热变形分析.通过建立纤维随机分布并含有材料孔隙的RVE,得到纤维热膨胀系数.对M40/TDE85单向复合材料的热膨胀性能进行实验测试,计算结果与测试结果吻合良好,验证了RVE模型的正确性与准确性.建立了复合材料圆管参数化模型,根据计算得到的热膨胀系数及优化算法,对天线支撑结构进行热稳定性优化设计,并对优化后的天线结构进行热致变形分析,结果表明优化后的结构具有很高的热稳定性.      

航天器天线技术的特点和进展

<正> 航天器天线亦称空间飞行器天线,用于卫星、飞船、空间站和深空探测器。天线按功能分类有遥测、指令、跟踪、测速、数据中继、通信广播、科学探测、遥感、测向、交会雷达、着陆导航等等,其型式多种多样,工作频率从甚低频到毫米波段。航天器天线有时比航天器本体大得多(例如ATS—6,TDRS),有时几乎就是航天器大部分表面(例如Transit-1)。     

采用信标的大型可展开天线指向控制方法

为提高大型可展开天线的指向控制精度,并适应喷气卸载等在轨工况,基于Craig-Bampton法建立了表征柔性天线指向的动力学模型,在此基础上提出了一种采用信标的大天线指向控制方法.该方法先基于卡尔曼滤波,对大天线的振动状态进行检测,若天线未出现明显振动,则通过信标敏感器修正天线指向偏差,同时引入星本体姿态敏感器以保证稳定性;若天线振动超过阈值,则仅引入星本体敏感器以衰减振动,直至天线未出现明显振动.最后利用瑟拉亚(Thuraya)卫星的在轨实测热变形数据进行了仿真验证.结果表明,在未受到喷气扰动时,大天线指向精度优于±0.02°,在受到喷气扰动后,系统可正确检测并切换跟踪输入.这说明,该指向控制方法在保证稳定性的同时,可以有效修正大天线指向偏差,并能适应在轨位保、卸载喷气工况.     

柔性张拉薄膜可展开空间天线研究现状与发展趋势

柔性张拉薄膜可展开天线是将柔性电子、柔性薄膜材料、柔性结构和柔性展开技术融合创新的一种具有广泛应用前景的大型可展开空间天线，具有轻质、高展收比、高增益和波束灵活的特点，可有效满足遥感、通信、深空探测卫星的特殊需求。阐述了柔性张拉薄膜可展开天线的特点与研究现状；对空间薄膜天线研制的基础理论及综合测试方法进行了总结；结合具体工程问题，论述了大型可展开空间薄膜天线研制所需要解决的关键技术难题，并进一步分析了薄膜天线的技术发展趋势。     

微波黑体发射率计量标准装置的准光照射天线设计

微波黑体发射率计量标准装置拟通过双站测量的方式,获取微波黑体的电磁散射信息,进而基于基尔霍夫热平衡定律获取其发射率信息。在有限的测量空间和较高的测试频段条件下,需要对照射天线进行优化设计,以实现对微波黑体散射特征的有效测量。针对此应用,在毫米波和亚毫米波段基于准光学技术,开展了照射天线仿真设计工作。并结合装置实测场景,对准光照射天线的散射测量收发链路进行仿真,结果表明：通过准光天线设计,可以使得发射天线在目标区形成相位平坦,边缘衰减的照射场分布,可以降低收发天线-目标间的电磁能量传输衰减,同时近似测得目标的远场散射特性已便于反射率积分。综合而言,通过仿真分析,验证了微波黑体发射率计量标准装置中高频段收发天线的设计原理和应用价值,同时也对其它近场测试系统的研制和应用提供了参考。     

Antenna pattern control of planar arrays for long distance communications

As an alternative to standard antennas and due to the advent of low-cost digital processors and materials, adaptive antenna arrays are increasingly considered for applications in long distance communications. The pattern beam control potentialities provide the performance improvement of the communication systems. In this context, this work presents a technique that permits to synthesize the antenna pattern of a planar array. Considering that the relationship between the array factor and the array excitations for the far field region is a Fourier transform in the appropriate variables, the non-uniform sampling procedure is extended for planar arrays. These arrays permit a further control of the antenna pattern since two dimensions of space are used. The technique considers a number of array factor points equal to the array size, which is used to impose appropriated values in the antenna pattern. The produced array factor passes through those points with the desired values, which allows the synthesis of antenna patterns with appropriated characteristics. The theory is presented in order to develop the necessary direct expressions to calculate the array excitation. The array factor can be obtained using the inverse Fourier transform. As application examples, with this technique it is possible to define the level of each sidelobe of the antenna pattern, to control the main beam and to impose nulls in prescribed directions of the pattern.